Прыжковая проводимость и переход диэлектрик-металл в кристаллическом германии, разупорядоченном радиацией тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

s #

w БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

л #

-л

УДК 621.315.592

ЕРМОЛАЕВ Олег Павлович

ПРЫЖКОВАЯ ПРОВОДИМОСТЬ И ПЕРЕХОД ДИЭЛЕКТРИК-МЕТАЛЛ В КРИСТАЛЛИЧЕСКОМ ГЕРМАНИИ, РАЗУПОРЯДОМЕННОМ РАДИАЦИЕЙ

01.04.to - физика полупроводников и диапектриков

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Минск - 1997

Работа выполнена в Белорусском государственном университете

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Ломако В.М.

доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Матвеева Я.А.

доктор физико-математических наук, профессор Ташлыков И.С.

Оппонирующая организация - Институт физики твердого тела и

полупроводников НАНБ

Защита состоится 12 декабря 1997 г. о 1400 на заседании совета по защите диссертаций Д 02.01.16 в Белорусском государственном университете (220080,г.Минск, пр.Ф.Скорины 4, Белгос-университет, главный корпус, ауд.20в).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белорусского государственного университета.

Автореферат разослан _ ноября 1997 г.

Ученый секретарь совета по защите диссертаций доцент

В.Ф.Стельмах

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АктуадьнесТЛг тему,, 8 последки» десятилетия физика неупор,-дочанных систем стала одним из интенсивно развирающихся направлений исследования физики конденсированной среды. Это обусловлено как большой практической важностью таких систем, так и успехами теоретического описания неупорядоченного состояния. Круг неупорядоченных систем чрезвычайно широк. Кристаллические полупроводники, легированные примесями или подвергнутые облучению, становятся в какой-то степени разупорядочениыми. Неупорядоченность связана с нерегулярностью распределения примесей (дефектов)) в хаотическом поле которых движутся носители заряда, и, обычно, проявляется в низкотемпературных электронных свойствах. Таким образом, изучение электронных явлений в кристаллических полупроводниках, разупорядоченных радиацией, лежит в области интересов как физики неупорядоченных систем, так и радиационной физики полупроводников.

До начала 70-х годов основной интерес'исследователей радиационной физики полупроводников лежал о области изучения процессов, связанных с зонным движением носителей заряда. Таким образом, изучались явления, в которых локализованные состояния проявлялись лишь как поставщики свободных носителей заряда в разрешенные зоны и как центры рассеяния и рекомбинации. 0 то же время изучению процессов электропервноса между локализованными состояниями (примесей или дефектов) уделялось мало внимания, хотя прыжковый электроперенос по локализованным состояниям, по-видимому, более распространен о неупорядоченных системах, чем зонный.

В 70-е годы были достигнуты значительные успехи в теоретическом описании электронных явлений в неупорядоченных полупроводниковых системах. Были определены основные понятия таких систем: локализованные и делокализованныа состояния, локализация электронов и прыжковый механизм проводимости, порог подвижности, уровень протекания, переход металл-диэлектрик (ПМД) и другие. Одной из основных проблем физики неупорядоченных систем является проблема перехода из металлического состояния в диэлектрическое. Представление о возможности локализации частиц в неупорядоченных системах было впервые выдвинуто Андерсоном я 1Э58 году. Н.Мотт разрабо-

тел концепцию скачкообразного обращения металлической проводимости о нуль в точке перехода металл-диэлектрик. Значительные успехи d исследовании неупорядоченных систем были достигнуты на основе перколяционной теории, прежде acero, благодаря работам Б.И.Шкловского и А.Л.Эфроса. Скейлинговая теория локализации Е.Абрахамса, Ф.Андерсона, Д.Личчиарделло и Т.Рамакришнана рассматривала непрерыр><ое изменение макроскопических свойств системы в окрестности критической точки, то есть переход метапл-диэлектрик рассматривался как фазовый переход 11-го рода. В этот же период в работах Б.Л.Апьтшулера, А.Г".Аронова, А.Кавабата, А.И.Ларкина, Д.Е.Хмельницкого и других была показана важность учета электрон-электронного взаимодействия в разупорядоченном металлическом состоянии.

На основе перколяционной модели было показано, что сильно компенсированные полупроводники обладают свойствами, характерными для неупорядоченных систем. А.Р.Гаджиевым, С.М.Рывкиным и И.С.Шлимаком было установлено, что кристаллический германий, сильно компенсированный быстрыми нейтронами, представляет собой модель аморфного полупроводника и, наблюдаемые в нем явления, которые считались характерными для аморфного состояния, обусловлены разупорядоченностью. В работах Р.Ф.Коноплевой с сотрудниками было показано, что потенциальный рельеф в германии с разупорядоченными областями (РО) имеет особенности, отличающие его от потенциального рельефа, создаваемого мелкими химическими примесями или точечными дефектами. А.Г.Забродским с сотрудниками проведено детальное исследование неупорядоченных систем на основе кристаллических полупроводников, а нейтронное облучение (вследствие трансмутаций) использовалось как метод дозированного введения компенсирующих примесей.

Таким образом, основываясь на достижениях теории неупорядоченных систем, полученных в 70-х годах, стало возможным систематически исследовать электронные свойства неупорядоченных полупроводниковых систем на основе кристаллов, подвергнутых действию радиации, и получать новые данные о радиационных дефектах (РД).

На основании вышеизложенного можно заключить, что проблема изучения особенностей переноса заряда по локализованным состояниям в кристаллических полупроводниках, разупорядоченных радиа-

цией, и нахождения общих закономерностей электропереноса в кристаллах с локализованными состояниями различной природы (примесной или дефектной) является актуальной. Известно, что Республика Беларусь обладает большим научным, научно-техническим и производственным потенциалом в области полупроводниковой электроники. Это ставит перед учеными задачи улучшения качества традиционных и создания новых полупроводниковых материалов с необходимыми электронной технике свойствами. Прогресс в соответствующих исследованиях, к которым относятся и исследования, проводимые в настоящей работе, позволяет получить новые данные, необходимые для создания материалов с заданными свойствами, и развить фундаментальные представления о природе физических явлений и эффектов в кристаллических полупроводниках, разупорядоченных радиацией, с различными типами локализованных состояний.

Связь работы £ научными программами. Диссертационные исследования проводились в рамках тем, входящих в "Планы важнейших научно-исследовательских работ в области естественных наук", по республиканской комплексной программе "Плазма", по программам фундаментальных исследований Белгосуниверситета "Синергетика" и "Новые материалы", а также" в рамках международного проекта "Metal-Insulator Transition and Quantum (Hopping) Transport in Oisordered Systems" (программа INTAS-94).

Главная цель работы состояла в том, чтобы установить и понять закономерности электронных переходов между локализованными состояниями примесей и (или) радиационных дефектов в кристаллическом германии, разупорядоченном радиацией, как в области сильной локализации, так и в окрестности перехода диэлектрик-металл.

Для достижения поставленной цели были определены следующие основные задачи:

t. Изучение и установление специфики процессов электронных переходов между локализованными состояниями в полупроводниках с мелкими примесями (III и V групп) и радиационными дефектами с целью получения информации о процессах взаимодействия примесей и радиационных дефектов. Установление области применимости и степени информативности метода исследования температурных зависимостей прыжковой проводимости (ТЗПП) для радиационной физики полупроводников.

2. Выявление основных, наиболее общих закономерностей процессов, связанных с электронными переходами между локализованными состояниями радиационной природы, в широких диапазонах уровней "легирования" радиационными дефектами от "слабого", когда электронные состояния локализованы, до "сильного", когда происходит переход к металлическому состоянию.

3. Исследование особенностей восстановления свойств кристаллических полупроводников, связанных с электронными переходами между локализованными состояниями, после воздействия различными видами жестких излучений и длительного высокотемпературного отжига. Выяснение природы остаточных явлений, возникающих в результате облучения и отжига.

4. Установление закономерностей изменения электрической активности (и исследование способов управления ею) исходных легирующих примесей (Ш и V групп) и примесей, возникающих в результате трансмутаций при облучении кристаллического германия быстрыми (надкадмиевыми) нейтронами реактора.

5. Изучение возможности практического использования результатов исследований электронных переходов между локализованными состояниями в кристаллических полупроводниках, разупорядоченмых радиацией.

Для реализации изложенной программы в качестве модельного объекта был выбран кристаллический германий (как чистый , так и легированный примесями Ш и V групп), так как технология введения в него примесей и их свойства достаточно хорошо изучены, кроме того, известно, что при облучении германия быстрыми нейтронами происходит п-р-конверсия проводимости и образуются дефекты, обладающие акцепторными свойствами, которые при некоторых условиях могут определять свойства материала. Известно, что использование электронного парамагнитного резонанса для исследования радиационных дефектов в Ое оказалось малоэффективным и наиболее полная количественная информация о них получалась из изучения температурных зависимостей коэффициента Холла (ТЗКХ), хотя этот метод имеет ряд ограничений. Ограничена, например, область концентраций носителей заряда, доступная для точного количественного анализа, что связано с взаимодействием примесей и образованием примесной зоны. Необходимо отметить сложности проведения измерений ТЗКХ и

интерпретации данных вследствие зависимости холл-фактора от величины магнитного поля и концентрации примесей. В то же время, метод изучения температурных зависимостей прыжковой проводимости свободен от большинства этих ограничений.

Научная новизна полученных .в диссертации экспериментальных данных, физических моделей и обобщений состоит в следующем:

- Впервые систематически исследованы закономерности электронных процессов в новом типе неупорядоченной системы - германии, "легированном" радиационными дефектами с мелкими энергетическими уровнями. Разработана модель транспорта носителей заряда в широком интервале температур (1,5 - 300 К) и диапазоне (от 1 о'* до ю" см"3) "легирования": от "слабого", когда состояния дефектов локализованы, до "сильного", когда происходит переход диэлектрик - металл и состояния делокапизуются.

- Впервые получена экспериментальная зависимость энергии активации радиационных дефектов с мелкими уровнями, возникающих при облучении германия быстрыми реакторными нейтронами, от концентрации этих дефектов. Найдено, что энергия активации этих уровней в случае малой концентрации и компенсации равна 16 мэВ.

- Впервые обнаружено, что проводимость германия, "легированного" радиационными дефектами с мелкими уровнями при низких (гелиевых) температурах носит прыжковый характер и осуществляется в результате прыжков локализованных носителей заряда по радиационным дефектам с уровнями Б + 16 мэВ. Установлено, что при концент-

v

рациях радиационных дефектов менее 5.10 см" осуществляется механизм прыжковой проводимости по ближайшим локализованным состояниям дефектов (е - проводимость). При больших концентрациях 1

проявляется прыжковая проводимость с переменной длиной прыжка.

- Исследование концентрационной зависимости прыжковой проводимости (с постоянной энергией активации ) впервые позволило установить величину воровского радиуса радиационного дефекта с уровнем В + 16 мэВ л = 40 Д.

v

- Из концентрационной зависимости сопротивления п в области прыжковой проводимости с переменной длиной прыжка обнаружено предельное состояние по сопротивлению в окрестности перехода диэлектрик-металл. Предапьная величина 'а 9 '.см ' удовлет-

ворительно согласуется с величиной моттовской минимальной металлической проводимости (<? ) с учетом найденной величины крити-

■ > п

ческой концентрации радиационных дефектов, Мрд= 1-Ю * см" , при которой происходит переход диэлектрик-металл. Определена величина боровского радиуса дефекта при ПДМ ^ ~ 30 Д.

- Исследование влияния внешних воздействий (одноосных упругих деформаций, магнитных полей, высокотемпературного отжига н гамма-излучения) низкотемпературную (в основном, прыжковую) проводимость германия, "легированного" радиационными дефектами с мелкими энергетическими уровнями впервые позволило установить особенности, отличающие их от мелких легирующих примесей (Ш и V групп), сделать обоснованные предположения об их природе, термической устойчивости и радиационной стойкости.

- Впервые проведены систематические исследования прыжковой проводимости в германии (п- и р-типов проводимости), облученном у-квантами ®°Со или быстрыми реакторными нейтронами. Выявлены основные закономерности взаимодействия исходных легирующих примесей (Ш и V групп) с Р/1, В Се со сравнительно большой концентрацией (3.10,5+ 2.101* см"3) мелких примесей (8Ь,Ав,0а) в процессе облучения и последующего высокотемпературного (до 450 °С) отжига. Показано, что в результате у-облучения происходит уменьшение концентрации доноров V группы (в п-ве) и акцепторов Ш группы (в р-ве), а также увеличение концентрации компенсирующих дефектов. При нейтронном облучении п-ве основную роль в удалении дырок из валентной зоны играет введение радиационных акцепторов. Использование метода температурных зависимостей прыжковой проводимости для изучения отжига радиационных дефектов позволило наблюдать за восстановлением концентрации исходных легирующих доноров (или акцепторов) и сделать обоснованные предположения о процессе де-фектообразования, а также сделать вывод о полном восстановлении концентрации исходных легирующих . доноров (или акцепторов) при температурах отжига 450 °С.

- Изучение остаточных явлений в германии, подвергнутом облучению быстрыми реакторными нейтронами и последующему длительному (20-30 часов) высокотемпературному (450 °С) отжигу, впервые позволило установить, что остаточные центры обусловлены, главным

образом, химическими примесями (ва, Аз и Бе), возникающими в результате ядерных превращений, вызванных быстрыми (надкадмиевыми) нейтронами.

- Изучением температурных зависимостей прыжковой проводимости впервые обнаружено, что в результате облучения кристаллического германия быстрыми (надкадмиевыми) нейтронами реактора исходные примеси Ш и V групп (ва, БЬ и Ав) становятся электрически неактивными. Количественно изучен процесс восстановления при отжиге концентрации электрически активных примесей (исходных и трансмутационно введенных) и показано, что в результате высокотемпературного отжига все исходные (и трансмутационно введенные примеси) становятся электрически активными. Предложена модель, объясняющая поведение примесей при облучении и последующем отжиге .

Практическая значимость полученных результатов.

- Метод изучения температурных зависимостей прыжковой проводимости адаптирован к исследованию радиационных нарушений в кристаллах полупроводников. Показана эффективность и высокая информативность этого метода в радиационной физике полупроводников.

- Проведенные исследования по установлению природы остаточных центров и необходимости количественного учета эффекта трансмутационного легирования германия при облучении быстрыми (надкадмиевыми) нейтронами реактора имеют важное значение для технологии получения материала с повышенной однородностью распределения легирующих примесей.

- Экспериментально установлены закономерности изменения электрической активности примесей (как исходных, так и трансмутационно введенных) при облучении германия быстрыми (надкадмиевыми) Мёйтронами реактора. Изучены способы управления электрической активностью примесей, а также электрофизическими свойствами германия при таком же облучении и отжиге, что имеет важное значение для радиационной технологии полупроводников.

- Предложен метод определения концентрации радиационных дефектов с мелкими уровнями из измерений температурных зависимостей прыжкоаой проводимости с использованием найденной нами величины боровского радиуса дефекта.

- "Легирование" германия радиационными дефектами позволяет получать материал с особыми свойствами и перспективными практическими применениями. Достоинствами такого материала являются: простота "легирования" и высокая точность получения необходимой степени "легирования", высокая степень однородности распределения "легирующих" дефектов, повышенная радиационная стойкость.

- Приведены результаты разработки и реализации на уровне изобретения способа изготовления термометров сопротивления на основе кристаллического германия,"легированного" радиациоными дефектами с малой инерционностью и большим (изменяемым) диапазоном чувствительности для широкой области температур (1,5-300 К).

- Результаты, полученные в ходе выполнения данной диссертационной работы, используются в учебном процессе физического факультета Белгосуниверситета в специальных лекционных курсах, в лабораторных спецпрактикумах, при постановке курсовых и дипломных работ студентов и диссертационных работ аспирантов, что отражено в соответствующих методических разработках.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту!

1. Комплекс экспериментальных результатов исследования переноса носителей заряда в новом типе неупорядоченной системы - германии, "легированном" радиационными дефектами с мелкими энергетическими уровнями, позволяющий установить основные параметры, характеризующие движение носителей заряда как по валентной зоне, так и по локализованным состояниям радиационных дефектов, а также выявить основную роль дефектов с мелкими уровнями + 16 мэВ.

2. Модель транспорта носителей заряда в широком интервале температур (1,5 - 300 К) в германии, "легированном" радиационными дефектами, в зависимости от уровня "легирования": от "слабого", когда состояния сильно локализованы, до "сильного", когда происходит переход диэлектрик-металл и состояния делокализуются.

3. Экспериментальные результаты исследования влияния внешних воздействий (одноосных упругих деформаций, магнитных полей, высокотемпературного отжига и гамма-излучения) на прыжковую проводимость германия, "легированного" радиационными дефектами с мелкими энергетическими уровнями, позволившие установить особенности, отличающие их от мелких легирующих примесей (Ш и V групп), и еде-

лать обоснованные предположения об их природе, термической устойчивости и радиационной стойкости.

4. Экспериментальные результаты исследования прыжковой проводимости по мелким легирующим примесям в германии (п- и р-типоь проводимости), облученном у - квантами аоСо или быстрыми реакторными нейтронами, устанавливающие основные закономерности взаимодействия примесей с радиационными дефектами в кристаллах с относительно высокой (3.10*4 2.101' см"3) концентрацией мелких легирующих примесей (Ш и V групп) в процессе облучения и последующего отжига.

5. Остаточные центры, возникающие при облучении германия быстрыми реакторными нейтронами и последующем длительном (20 - 30 часов) высокотемпературном (450 °С) отжиге, обусловлены, главным образом, химическими примесями (Ga, As и Se), возникающими в результате ядерных превращений, вызванных быстрыми (надкадмиеаыми) нейтронами. Экспериментально установлена необходимость количественного учета эффекта трансмутационного легирования германия при облучении быстрыми (надкадмиевыми) нейтронами.

6. Модель изменения электрической активности исходных примесей (И и V групп), а также примесей, возникающих в результате трансмутаций, при облучении кристаллического германия быстрыми (надкадмиевыми) нейтронами реактора и последующем высокотемпературном отжиге.

Пичный вкдаа соискателя. Содержание диссертации отражает личный вклад автора. Он заключается е постановке задач исследований (в некоторых случаях совместно с В.П.Добрего), в непосредственном участии в проведении экспериментальных работ вместе с аспирантами и коллегами, в самостоятельной разработке моделей, анализе и интерпретации результатов.

Апробация Е0_зульта1за диссортации. Основные результаты диссертационной работы докладывались на II Международной конференции "Взаимодействие излучений с твердым телом" (Минск, 1997 г.), Международной конференции "14-th General Conference Condensed Matter Division" (Madrid, 1994), Via Координационном совещании no исследованию и применению сплавов кремния и германия (Ташкент, 1991), XII Всесоюзной конференции по физика полупроводников (Киев, 1990), VII Республиканской конференции молодых ученых по физике

(Минск,1982), II Всесоюзном совещании по глубоким уровням в полупроводниках (Ташкент, 1980), Всесоюзной конференции "Радиационные эффекты в твердых телах" (Ашхабад, 1977), Всесоюзной научной сессии по проблемам физики твердых тел й радиационной физики твердых тел (Севастополь, 1976).

Материалы работы также докладывались на научных семинарах в Бепгосуниверситете, "ИИ прикладных физических проблем им. А.Н. Севченко, Софийском университете им. К.Охридского (Болгария), Институте твердого тела и полупроводников АН Беларуси и др.

Опубликованность результатов. Основное содержание диссертации отражено а 40 печатных работах (31 статья и сборник, в тезисов докладов на конференциях и патент на изобретение), список которых приводен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, восьми глав, основных выводов и списка использованных источников. Общий объем диссертации 275 страниц, включая 18Э страниц текста, 77 рисунков и 9 таблиц. Список использованных источников включает 279 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обсуждается актуальность исследуемой проблемы. Сформулированы цели и задачи работы. Отражена научная новизна и практическая значимость полученных результатов. Приводятся основные положения диссертации, выносимые на защиту. Приведены данные об апробации работы и использовании ее результатов.

Первая глава носит обзорный характер. В ней приводен краткий обзор основных представлений физики неупорядоченных полупроводниковых систем. Определены основные понятия таких систем: локализованные и делокализованные состояния, особенности плотности состояний вблизи уровня Ферми, порог подвижности, уровень протекания, переход металл-диэлектрик и другие. Обсуждаются основные механизмы транспорта носителя заряда в легированных кристаллических полупроводниках. Рассмотрены основные модели перехода металл-диэлектрик. Переход из металлического состояния в диэлектрическое вследствие разупорядочения (переход Андерсона). Увеличение концентрации легирующих примесей в кристаллических полупроводни-

ках, приводящее к исчезновению связанных состояний и переходу диэлектрик-металл (переход Мотта). Перкопяционная модель перехода металл-диэлектрик. Скейлинговая теория перехода металл-диэлектрик, рассматривающая его как фазовый переход 11-го рода. Обсуждается роль электрон-электронного взаимодействия в проводимости металлических неупорядоченных систем.

Одновременно с изложением теоретических представлений приводятся основные данные экспериментальных работ по изучению низкотемпературной проводимости и перехода металл-диэлектрик в легированных кристаллических полупроводниках.

8 заключение главы обосновывается целесообразность проведения исследований низкотемпературной проводимости в германии, раэ-упорядоченном радиацией.

6° второй главе кратко изложены основные вопросы методики эксперимента.

Так как модельным объектом исследования был выбран кристаллический германий, обладающий (при слабом легировании) хорошо выраженной прыжковой проводимостью в области низких (гелиевых) температур, то это требовало необходимости проведения экспэримен-тов в широком интервале температур от 1,5 до 300 К.

В настоящей глазе описана установка для измерений з интервале температур 1,5 - 300 К электрических (электропроводность и пьезосопротивление) и гальваномагнитных (эффект Холла и иагнито-сопротивление), а также о ряде случаев рекомбинационных (межпримесная иэлучательная рекомбинация) свойств кристаллического германия, разупорядоченного радиацией. Кратко описаны методики приготовления, облучения, измерения образцов и обработки экспериментальных данных.

В третьей главе исследуется прыжковая проводимость по мелким легирующим примесям Ш и V групп в германии, облученном у-квантами в0Со или быстрыми реакторными нейтронами.

Экспериментально установлено, что облучение германия (п - и р-гипов проводимости) жесткой радиацией (у - квантами Со или быстрыми реакторными нейтронами) оказывает сильное воздействие на параметры прыжковой проводимости: энергию активации прыжковой прокодимости £3 и прыжковое сопротивление рз> Это может свиде-тельствоэать об изменении концентрации мелких легирующих доноров

или акцепторов, а также компенсирующих дефектов. Следовательно, такого рода эксперименты могут быть использованы для получения информации о процессах взаимодействия легирующих примесей и радиационных дефектов.

Исследование температурных зависимостей прыжковой проводимости германия п-типа, облученного гамма-квантами 6^Со или быстрыми реакторными неГ' ронами, позволило заключить, что в обоих случаях происходит как уменьшение концентрации мелких донорных состояний атомов V группы, так и увеличение концентрации радиационных акцепторов. Причем, если в случае нейтронного облучения основную роль в удалении электронов из зоны проводимости играет воодение дефектов акцепторной природы, то в случае гамма-облучения - концентрации удаленных доноров и введенных акцепторов, примерно, совпадают.

Изучение температурных зависимостей прыжковой проводимости германия р-типа, облученного гамма-квантами Со показало, что происходит как уменьшение концентрации мелких акцепторных состояний атомов Ш группы, так и компенсация акцепторов донорами, возникающими в запрещенной зоне германия. Главную роль в удалении дыр'ок из валентной зоны при облучении играет введение радиационных доноров.

Исследование отжига прыжковых параметров ( п и с ) и кон"» з

центрации свободных носителей заряда п-германия, облученного гамма-квантами Со60 и быстрыми нейтронами, показало, что процесс происходит в две стадии.

В случае гамма-облучения восстановление концентрации мелких донорных состояний атомов V группы происходит при температурах: 1 - (160 - 210) °С и 2 - (270 -350) °С. Большая часть концентрации доноров (-90 X) восстанавливается на второй стадии отжига. Можно полагать, что процесс отжига на обеих стадиях связан с распадом комплексов дефект - примесь V группы, образовавшихся в результате облучения.

В случав облучения быстрыми нейтронами наблюдаются: 1 стадия, "обратного отжига", (150-220) °С, которая, по-видимому, связана с образованием комплексов дефект - сурьма и 2 стадия при т > 220 °С, где наблюдается распад комплексов дефект - сурьма и практически полное восстановление концентрации мелких донорных состо-

яний атомоо V группы.

Последний раздел третьей главы посвящен выяснению условий, при которых потенциальным рельефом, связанным с перекрывающимися разупорядоченными областями в германии, облученном большими дозами быстрых реакторных нейтронов, можно пренебречь.

Экспериментальные результаты свидетельствуют об отсутствии аномалий в температурных зависимостях удельного сопротивления, коэффициента Холла и хопловской подвижности слабо компенсированного (К < (0.3-0.4)] конвертированного в р-тип бе вплоть до самых низких температур (до - 1.5 К), использовавшихся в экспериментах и в широком диапазоне концентраций дефектов.

Это позволяет сделать вывод о том, что в слабо компенсированном конвертированном в р-тип бе, вдали от п-р-конверсии, особенности потенциального рельефа, образующегося при перекрытии областей разупорядочения не оказывают существенного влияния на транспорт носителей заряда и свойства материала определяются локализованными состояниями радиационных дефектов с мелкими уровнями .

Таким образом, в настоящей главе показано, что метод изучения температурных зависимостей прыжковой проводимости в полупроводниках, разупорядочениых радиацией, является эффектизкым и информативным методом радиационной физики полупроводников. Этот метод успешно применен к германию, облученному различными видами излучений (для образцов п- и р-типое проводимости). Он обладает высокой чувствительностью и позволяет получать информацию о дефектном и примесном составе кристалла, изучать процесс взаимодействия дефектов с примесями при облучении и отжиге. Предложены методические приемы нахождения концентрации основной легирующей примеси в образцах, 'подвергнутых облучению и отжигу из изучения температурных зависимостей прыжковой проводимости. Совместный

анализ параметров прыжковой проводимости п и £ позволяет полу' 3 я

чать информацию о степени компенсации образцов и с высокой точностью исследовать попноту восстановления свойств кристаллов после облучения и отжига.

Умвеотая глава посвящена исследованию низкотемпературной проводимости и перехода диэлектрик-металл э германии, облученном большими дозами быстрых реакторных нейтронов.

Как уже отмечалось, свойства кристаллического германия, облученного достаточно большими интегральными потоками быстрых реакторных нейтронов, после п - р-конверсии проводимости (и вдали от нее) определяются, главным образом, радиационными дефектами с мелкими уровнями. Концентрация этих уровней практически линейно увеличивается с ростом дозы быстрых нейтронов, выходя на насыщение в окрестности Р'оехода диэлектрик- металл.

В широком интьрвале температур (1,5 - 300 К) изучен транспорт носителей заряда в германии с большим диапазоном "легирования" радиационными дефектами с мелкими уровнями (от 10м до 101* см"'). Для идентификации механизмов электропереноса проводился анализ температурных зависимостей концентрации носителей заряда и проводимости.

Независимость концентрации и энергетического положения дефектов с уровнями Е + 16 мэВ от концентрации и природы мелких леги-

V

рующих примесей (БЬ, Ав, ва) в исходных образцах и возможность получения больших концентраций этих уровней (до - 101*см"3), свидетельствует о том, что они принадлежат дефектам, которые не включают в себя атомы мелких легирующих примесей Ш и V групп, а также кислород. Предполагается, что это многовакансионные комплексы.

Впервые получена экспериментальная зависимость энергии активации мелких уровней радиационных дефектов, возникающих при облучении германия быстрыми реакторными нейтронами, от концентрации этих дефектов. Диапазон концентраций дефектов изменялся от ю"до

1 В - 3

10 см , т.е. в области перехода от сильно локализованного диэлектрического состояния к металлическому. Найдено, что энергия активации этих уровней в случав малой концентрации и компенсации (К < 0.4) равна 16 мэВ. Это в полтора раза превышает значения энергий активации большинства мелких водородоподобных химических примесей в германии и может свидетельствовать о неводородоподоб-ности этих уровней.

Впервые обнаружено, что проводимость германия с мелкими уровнями радиационных дефектов при низких (гелиевых) температурах носит прыжковый характер и осуществляется в результате прыжков локализованных носителей заряда по радиационным дефектам с уровнями Е + 16 мэВ.

Исследование концентрационной зависимости прыжковой проводимости с постоянной энергией активации £ позволило установить, что величина эффективного боровского радиуса дефекта с уровнем Е + 16 мэВ равна 40 Я.

V

Из концентрационной зависимости прыжкового сопротивления в области проводимости с переменной длиной прыжка обнаружено предельное состояние в окрестности ПДМ. Показано, что это состояние, по-видимому, связано с моттовской минимальной металлической проводимостью. Предельная величина (р*'" )"' а 9 Ом"' см" 1 удовлетворительно согласуется с величиной <т , рассчитанной согласно

■ i п

теории Мотта.

Найдена (различными методами) величина критической концентрации дефектов, = 1.101' см*', при которой происходит переход диэлектрик-металл,. Это позволило определить величину боровского радиуса дефекта при переходе « 30 Д.

Экспериментально установлено,'что по мере увеличения концентрации радиационных дефектов с мелкими уровнями щель между примесной (дефектной) зоной и валентной зоной, определяющая величину

г , не схлопывается вблизи критической точки перехода диэлектрик-i

металл. Это означает, что переход происходит внутри зоны дефектов, а не при ее слиянии с валентной зоной.

Экспериментальные исследования проводимости германия с мелкими уровнями радиационных дефектов, проведенные в широком интервале температур (1.5 - 300 К) с диэлектрической стороны перехода диэлектрик-металл и в непосредственной его окрестности, позволяют считать, что переход имеет достаточо резкий характер, и, по-видимому, могут свидетельствовать о применимости моттовской концепции минимальной металлической проводимости. Это подтверждается следующими даными:

- Значения величин СГ(0), полученные из температурных зависимостей проводимости экстраполяцией к Т = 0 К, удовлетворительно согласуются с рассчитанным значением моттовской минимальной металлической проводимости (л ).

■ I п

- Предельная величина Ср"1п )"', найденная из анализа прыжковой проводимости с переменной длиной прыжка также удовлетворительно согласуется с величиной л

м < п

- В окрестности ПДМ нами но наблюдалось значений проводи-

МОСТИ 0(0) « 0

« I п

- Наблюдается разумное соответствие между величиной воровского радиуса дефекта, найденного из критерия Мотта, и значением воровского радиуса, полученного из концентрационной зависимости прыжковой проводимости.

- Имеется существенное (о несколько раз) расхождение между значениями критиче .их индексов, найденных экспериментально и предсказываемых скейлинговой теорией перехода диэлектрик-металл.

Изучение механизмов проводимости в широком интервале температур (1.5 - 300 К) и определение основных физических характеристик исследуемой неупорядоченной системы позволило разработать модель транспорта носителей заряда в германии, "легированном" радиационными дефектами с мелкими уровнями. Основные положения модели заключаются в следующем. Проводимость слабо компенсированного (К « 0.4) материала в широком интервале температур (1.5 300 К) может быть представлена в виде

С = р^1ехр(-£^/кТ) + р^'ехр(-ез/кТ) + р^ охр(-[То/Т] ) + а'.

где первое слагаемое связано с зонным движением носителей заряда,

а г - энергия активации радиационных дефектов, равная, в случае 1

их малой концентрации, 16 мэ8; второе и третьо слагаемые связаны с прыжковым переносом носителей заряда по уровням радиационных дефектов; четвертое слагаемое описывает проводимость в окрестности перехода Диэлектрик-металл. Последние три слагаемых проявляются при разных концентрациях радиационных дефектов.

а) При концентрации дефектов а 5.ю" см"3 проводимость в области низких температур (Т £ 10 К) осуществляется прыжками между нейтральными (А°) и ионизированными (л") акцепторами (дефектами) с поглощением или испусканием фононов, т.е. с постоянной энергией активации £ . Наблюдается удовлетворительное согласив экспериментальных значений с рассчитанными согласно перколяци-ониой теории прыжковой проводимости. Концентрационная зависимость прыжкового сопротивления р^ определяется найденной нами величиной

воровского радиуса дефекта д = 40 А.

6) При концентрации дефектов 101а > N > 5.ю" см"3 прово-

димость в области низких температур (Т < 20 К) носит характер прыжковой проводимости с переменной длиной прыжка и осуществляется в результате прыжков локализованных носителей заряда по состояниям с энергиями в узкой полоске вблизи уровня Ферми. Эта проводимость идентифицируется как проводимость с переменной длиной прыжка в окрестности кулоновской щели Шкловского - Эфроса.

в) Вблизи перехода диэлектрик-металл (Чрд « 10** см"') наблюдается уже не активационная, а слабая степенная температурная зависимость проводимости: 0* = 0(0) + АТ* . При ырд= см"3

наблюдается переход и показатель степени х ~ 0.1 + 0.15, а 0(0)

имеет значение, близкое к (о"'")"' и п . Степенная зависимость

"о Шп

проводимости от температуры такого вида количественно не может быть описана в рамках широко используемой модели квантовых поправок Альтшулера - Аронова, учитывающей электрон - электронное взаимодействие о разупорядоченном металлическом состоянии. Это может быть связано с тем, что в данной неупорядоченной системе мы не "углубились" достаточно далеко в металлическое состояние и можно ожидать, что не все электронные состояния будут делокализо-ваны.

0 пятой главе исследовано влияние магнитных полей, одноосных упругих деформаций и высокотемпературного отжига на прыжковую проводимость бе, "легированного" радиационными дефектами.

Изучение прыжкового магнетосопротивпения при Т = 4.2 К о полях до 5.5 Тл показало, что оно положительно и квадратично по полю (1д[р(Н)/р(0>] - Нг), что соответствует перколяционной теории прыжкового магнетосопротивпения для "слабых" магнитных полей. Исследование магнетосопротивпения в области проводимости с переменной длиной прыжка совместно с данными, полученными в третьей главе, позволило изучить поведение радиуса локализации и диэлектрической проницаемости вблизи перехода диэлектрик - металл о данной неупорядоченной системе. Экспериментально показано, что величины радиуса локализации и диэлектрической проницаемости в бе, "легированном" радиационными дефектами, резко возрастают вблизи перехода диэлектрик-металл в соответствии с моделью кулоновской щели Шкловского-Эфроса.

Исследование пьезосопротивления в области прыжковой проводимости по уровням радиационных дефектов показало, что оно положи-

тельно и сложным образом зависит от величины давления. С увеличением приложенного давления удельное сопротивление растет, достигая некоторого максимального значения, после чего начинает уменьшаться. Поведение пьезосопротивления можно объяснить расщеплением валентной зоны и смещением компонентов основного состояния акцепторов, вызванными одноосными упругими деформациями. В случае "больших" давлений изоэнергетические поверхности валентной зоны будут представлять собой эллипсоиды, в отличие от почти сфер в отсутствие давления, что приводит к уменьшению сопротивления (т.е. отрицательному пьезосопротивлению). Наблюдаемые нами закономерности (положительное пьезосопротивление, слабое изменение

прыжковых параметров D » О . £ и Т ) позволяют сделать вывод о

гз го "з о

том, что радиус локализации незначительно изменяется с давлением. Это свидетельствует о том, что в наших опытах условие "больших" давлений еще не выполнялось. Для выполнения этого условия необходимо прилагать давления большие чем 400 МПа, что также подтверждает более сильную локализацию радиационных дефектов с мелкими уровнями (и их неводородолодобиость) по сравнению с мелкими во-дородоподобными примесями ill группы.

Изучение отжига дефектов с уровнями 16 мэВ путем ис-

следования температурных зависимостей прыжковой проводимости и проводимости по валентной зона показало, что большая часть радиационных дефектов отжигается при Т г 300 °С. Ход отжига дефектов не зависит от природы и концентрации исходных мелких легирующих примесей (Sb.As.Ga). При Т г 350 °С обнаружены особенности поведения отжига, связанные (это будет показано в главах 6 и 7) с примесями, введенными в результате трансмутационных превращений, вызванных быстрыми (надкадмиевыми) нейтронами и изменением электрической актианости примесей (исходных и траисмутационно введенных ).

Отметим, что ряд данных по прыжковому пьезо- и магнитосопро-тивлению германия, "легированного" радиационными дефектами, и отжигу дефектов в нем, а также данные главы 4 указывают на неводо-родоподобность радиационных дефектов с мелкими уровнями.

В шестой главе исследовались остаточные явления в германии, подвергнутом облучению (у-квантами ,0Со или быстрыми реакторными нейтронами) и последующему длительному высокотемпературному отжи-

г у.

В экспериментах, обсуждавшихся' в главе 3, было установлено существование остаточных явлений посла длительного высокотемпературного (24 ч при 450 °С) отжига в облученном германии. Такой отжиг иногда называют "полным".

Специальные исследования прыжковой проводимости и межпримесной иэлучательной рекомбинации в кристаллах германия, облученных различными дозами у-квантов °°Со или быстрых реакторных нейтронов (в том числе и приводящих к п-р-конверсии) и подвергнутых "полному" отжигу, были проведены для выяснения природы остаточных явлений.

Показано, что радиационные дефекты, возникающие при облуче-

9 О

нии п-германия у-квантами Со, полностью на отжигались за время "полного" отжига, хотя концентрация доноров V группы при этом полностью восстановилась. Остаточные дефекты обладают большим сечением захвата дырок, чтобы конкурировать с захватом дырок сурьмой и погасить люминесценцию исходного образца. Возможным объяснением может быть образование комплексов радиационных дефектов и остаточных технологических примесей, устойчивых к длительному высокотемпературному отжигу. В состав таких комплексов не входят мелкие легирующие лримеси.

В образцах германия (п- и р-типа), подвергнутых нейтронному облучению и "полному" отжигу, в спектрах межпримесной иэлучательной рекомбинации наблюдались линии, связанные с трансмутационно введенными примесями (Ьу ~ 724 мэВ, босфононный переход Аэ - Эа и его фононное повторение Ъу ~ 698 мэВ, то есть переход Аэ - ва с испусканием 1.А фонона). Совместные исследования спектров межпримесной иэлучательной рекомбинации и температурных зависимостей прыжковой проводимости позволили установить, что остаточные явления связаны, главным образом, с трансмутационными превращениями, вызванными быстрыми (надкадмиевыми) нейтронами. Количественные оценки показали, что вклад быстрых (надкадмиевых) нейтронов в трансмутационное легирование германия может составлять около 10 -15 X от оклада тепловых нейтронов и зависит от энергетического спектра нейтронов при облучении.

ОЗйВа I посвящена исследованию электрической активности исходных примесей Ш и V групп, а также трансмутационно введен-

ных примесей в Бе, облученном быстрыми реакторными нейтронами.

В третьей главе диссертации было показано, что свойства германия, облученного большими дозами быстрых нейтронов реактора, определяются, главным образом, радиационными дефектами, несмотря на достаточно большие концентрации трасмутационно вводимых при этом примесей (глава 4). Ход отжига облученных кристаллов также обнаружил ряд особенностей (глава 5).

Для выяснения этих особенностей были проведены эксперименты по 20-минутному изохронному отжигу (в интервале температур 150-45О °С) образцов ве, легированного примесями Ш и V групп и облученного различными дозами быстрых нейтронов. Из исследования температурных зависимостей прыжковой проводимости и эффекта Холла было установлено, что после облучения исходные примеси (ва и БЬ), а также примеси (Ца.Ав и Эе), образующиеся е результате ядерных реакций с нейтронами, становятся электрически неактивными. В спектрах межпримесной излучательной рекомбинации не наблюдалось пиний, связанных с этими примесями. Примеси начинали проявлять эле-

о

ктрическую активность при температурах Т г 350 С. Изучение температурных зависимостей прыжковой проводимости позволило количественно изучить процесс восстановления концентрации электрически активных примесей при отжиге и показать, что при "полном" отжиге все исходные и грансмутационно введенные примеси становятся электрически активными, а в спектрах межпримесной излучательной рекомбинации стали наблюдаться линии, связанные как с исходными примесями (Иу = 700 мэВ, переход БЬ - 6а с испусканием 1.А - фо-нона), так и с трансмутационно введенными примесями (Ьу к 724 мэВ, бесфононный переход Ав - ба и его фононное повторение Ьу ~ 698 мэВ, то ость переход Аэ - ва с испусканием 1.А фонона).

Для объяснения полученных экспериментальных данных предложена модель изменения электрической активности исходных примесей (Ш и V групп), а также примесей, возникающих в результате трансмутаций при облучении кристаллического германия быстрыми (надкадмие-еыми) нейтронами реактора и последующем высокотемпературном отжиге.

Модель предполагает, что радиационные дефекты с мелкими уровнями, определяющие свойства облученного германия, представляют собой многоаакансионные комплексы (см., глаау 4). Собствен-

ние междоузольные атомы ве (а возможно, и их ассоциации), по-

1

видимому, но оказывают существенного влияния на электрические свойства материала. О процессе трансмутационного легирования гер-

7 0

мания неитронами, прошедшими кадмиевую защиту, из изотопа ве ,

8

находящегося в узле, образуется Се!( • который из-за большой энергии отдачи ядра (» 200 эВ) переходит в междоузлие. Образующийся затем 71 ва , находясь в междоузлии, не проявляет электри-

I

ческой активности.

Рассматривая поведение германия, исходно легированного примесями ва и ЭЬ в виде ва0 и ЭЬ0, можно допустить по аналогии с

9 з

кремнием, что атомы исходных примесей в результате облучения

вытесняются из узлов в междоузлия собственными междоуэельными

о о

атомами ве . В результате появляются атомы йа и ЭЬ , которые

I I I

являются электрически нейтральными, то есть не проявляют себя как доноры и акцепторы.

В результате высокотемпературного отжига происходит развал многовакансионных комплексов и высвобождение большого числа вакансий. При высоких температурах вакансии, вероятнее всего, обладают большой подвижностью и вступают в реакции с междоуэельными

7 1 „ „ о „.о „

атомами Эа , ва , ЭЬ и ве . Это приведет к переходу атомов

III I

примесей из междоузлий в узлы и восстановлению их электрической активности.

Последняя, восьмая глава посвящена вопросам практического применения исследований прыжковой проводимости (по локализованным состояниям как примесной, так и радиационной природы) в полупроводниках .

Материалы, изложенные в предыдущих главах, наглядно демонстрируют эффективность и высокую информативность метода изучения температурных зависимостей прыжковой проводимости в радиационной физике полупроводников.

Вследствие того, что вероятность межпримесных переходов сильно (экспоненциально) зависит от концентрации локализованных состояний, исследование температурных зависимостей прыжковой проводимости является чувствительным и эффективным методом анализа примесного (или дефектного) состава кристаллов. Изучение прыжкового сопротивления р позволяет получать информацию об изменении концентрации уровней примесей (или дефектов) в результато облуче-

ния и отжига. Степенная зависимость прыжковой проводимости от компенсации позволяет изучать влияние облучения и процесс отжига в кристаллах, в которых концентрация компенсирующих примесей (или дефектов) очень мала по сравнению с концентрацией основных, по которым осуществляется прыжковая проводимость.

Особый интерес вызывают исследования прыжковой проводимости и перехода диэлектрик-металл в кристаллических полупроводниках, проводимость которых полностью определяется радиационными дефектами, как, например, в настоящих исследованиях. Изменять концентрацию радиационных дефектов в одном образце можно достаточно плавно в очень широких пределах (вплоть до перехода диэлектрик-металл), изменяя дозу облучения. Изучение отжига такого материала позволяет исследовать и обратный переход (с "металлической" стороны на "диэлектрическую").

На основе проведенных фундаментальных исспедований электропереноса в новом типе неупорядоченной системы - германии, "легированном" радиационными дефектами с мелкими энергетическими уровнями, показано, что "легирование" германия радиационными дефектами позволяет получать материал с особыми свойствами и перспективными практическими применениями. Концентрация "легирующих" дефектов определяется плотностью потока быстрых нейтронов и временем облучения и может изменяться в пределах 1014- 101" см"1. Точность "легирования" обусловлена, главным образом, точностью определения дозы быстрых нейтронов. Однородность распределения "легирующих" дефектов с мелкими уровнями значительно выше, чем в случае металлургического легирования, что обусловлено очень низкими значениями сечения взаимодействия быстрых нейтронов с германием и, следовательно, большой проникающей способностью нейтронов. С этим же связана и возможность "легирования" слитков кристаллов. Проведенные эксперименты по изучению влияния больших доз у-кваитов Со (101* - ю" см"г ) на прыжковую и зонную проводимость ве, "легированного" радиационными дефектами, показали, что его радиационная стойкость выше, чем у германия, легированного мелкими примесями Ш группы.

Изложен разработанный и реализованный на уровне изобретения способ изготовления термометров сопротивления на основе германия, "легированного" радиационными дефектами.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В конце каждой главы диссертации приводятся выводы, в которых суммируются результаты работы. Здесь перечисляются лишь основные выводы в общем виде.

1. Установлены основные закономерности и физическая сущность процессов в новом типе неупорядоченной системы - германии, "легированном" радиационными дефектами с мелкими энергетическими уровнями. Этот результат получен благодаря комплексному исследованию низкотемпературной (в основном, прыжковой) проводимости, эффекта Холла и низкотемпературной (4,2 К) фотолюминесценции кристаллического германия, разупорядоченного радиацией в широком интервале концентраций радиационных дефектов (примесей), степени компенсации в условиях широко меняющихся внешних условий: одноосной упругой деформации, температуры, магнитных полей.

Определены количественные значения величин, характеризующих данную неупорядоченную систему. Так, найдена энергия активации (и ае зависимость от концентрации) мелких уровней радиационных дефектов, определяющих свойства данной системы; определена величина эффективного боровского радиуса радиационного дефекта • с уровнем Е + 16 мэВ; величина критической концентрации дефектов, при кото-

v

рой происходит переход диэлектрик - металл; обнаружено предельное (по сопротивлению) состояние в окрестности перехода диэяектрик-моталл и др. Определение количественных характеристик данной неупорядоченной системы позволило разработать модель транспорта носителей заряда в широком интервале температур (1,5 - 300 К) и диапазоне (от Ю14 до 101* см"3) "легирования": от "слабого", когда состояния дефектов локализованы, до "сильного", когда происходит переход диэлектрик - моталл и состояния делокализуются.

2. Изучение влияния внешних воздействий (одноосных упругих деформаций, магнитных полей, высокотемпературного отжига и гамма-излучения) на низкотемпературную (в основном, прыжковую) проводимость германия, "легированного" радиационными дефектами с мелкими энергетическими уровнями, позволило установить особенности, отличающие их от мелких легирующих примесей (Iii и V групп), сделать обоснованные предположения об их природе, термической устойчивости и радиационной стойкости.

3. Проведены систематические исследования прыжковой проводимости в германии (п- и р-типов проводимости), облученном у-квантами Со или быстрыми реакторными нейтронами. Выявлены основные закономерности взаимодействия исходных легирующих примесей (Ш и V групп) с Р/Х в Ов со сравнительно большой концентрацией (3.10,5+ 2.Ю18 см"3) мелких примесей (вЬ.Ав.Са) в процессе облучения и последующего высокотемпературного (до 450 °С) отжига. Показано, что в результате у-облучения происходит уменьшение концентрации доноров V группы (в п-Се) и акцепторов Ш группы (в р-Бе), а также увеличение концентрации компенсирующих дефектов. При нейтронном облучении п-ве основную роль в удалении дырок из валентной зоны играет введение радиационных акцепторов. Использование метода температурных зависимостей прыжковой проводимости для изучения отжига радиационных дефектов позволило наблюдать за восстановлением концентрации исходных легирующих доноров (или акцепторов) и сделать обоснованные предположения о процессе де-фектообразования, а также сделать вывод о полном восстановлении концентрации исходных легирующих доноров (или акцепторов) при температурах отжига 450 °С.

4. В германии, подвергнутом действию больших доз облучения (быстрыми реакторными нейтронами или гамма-квантами б0Со) и последующему длительному высокотемпературному отжигу, изучением температурных зависимостей прыжковой проводимости установлено существование остаточных явлений, связанных с образованием центров неизвестной природы. Исследование спектров межпримесной иэ-лучательной рекомбинации и температурных зависимостей прыжковой проводимости позволило сделать выводы о природе остаточных центров .

Установлено, что остаточные центры, возникающие при облучении германия быстрыми реакторными нейтронами и последующем длительном высокотемпературном отжиге, обусловлены, главным образом, химическими примесями (ва, А& и 8е), возникающими в результате ядерных превращений, вызванных быстрыми (надкадмиевыми) нейтронами. Таким образом, экспериментально установлена необходимость количественного учета эффекта трансмутационного легирования германия при облучении быстрыми (надкадмиевыми) нейтронами. Сделаны оценки величины коэффициента легирования при таком облучении.

Показано, что в случав германия, подвергнутого облучению гамма-квантами 60Со и отжигу, образуются устойчивые к длительному высокотемпературному отжигу комплексы дефектов и, возможно, остаточных технологических примесей (мелкие легирующие примеси в образовании дефектов не участвуют).

5. Экспериментально показано, что в результате облучения германия быстрыми (надкадмиевыми) нейтронами реактора исходные легирующие примеси (II) и V групп), а также трансмутационно введенные примеси становятся электрически неактивными.

Установлено, что исходные примеси Ш и V групп, а также трансмутационно введенные примеси начинают проявлять электрическую активность после отжига радиационных дефектов с мелкими уровнями, т.е. при Т г 300 °С. Количественно изучен процесс восстановления при отжиге концентрации электрически активных примесей (исходных и трансмутационно введенных) и показано, что в результате длительного отжига (при 450 °С) все исходные примеси становятся электрически активными.

в. Предложена модель изменения электрической активности исходных легирующих примесей (Ш и V групп), а также трансмутационно введенных примесей при обпучении германия быстрыми (надкадмиевыми) нейтронами реактора и последующем отжиге.

Модель предполагает, что дефекты с мелкими уровнями, определяющие свойства облученного Се, представляют собой многоваканси-онные комплексы. Исходные примеси Ш и V групп в результате облучения вытесняются из узлов в междоузлия собственными междоузель-ными атомами. Трансмутационно введенные примоси переходят о междоузлия из-за большой энергии отдачи ядра. Следовательно, исходные и трансмутационно сведенные примеси становятся электрически неактивными. В результате высокотемпературного отжига происходит развал многовакансионных комплексов и высвобождение большого числа вакансий, что приводит к переходу атомов примесей из междоузлий в узлы и восстановлению их электрической активности.

7. Показаны возможности практического применения результатов исследований электронных переходов между локализованными состояниями в кристаллических полупроводниках, раэупорядоченных радиацией.

Эффективность и информативность метода исследования темпера-

турных зависимостей прыжковой проводимости (изделие природы локализованных состояний дефектов, определение концентраций основных и компенсирующих дефектов или примесей и др.) с успехом позволяет применять его для изучения радиационных нарушений в кристаллах, причем и в тех случаях, когда метод исследования температурных зависимостей коэффициента Холла малоэффективен.

"Легирование" германия радиационными дефектами позволяет получать материал с особыми свойствами и перспективными практическими применениями. Достоинствами такого материала являются: простота "легирования" и высокая точность получения необходимой степени "легирования", высокая степень однородности распределения "легирующих" дефектов, повышенная радиационная стойкость.

Приведены результаты разработки и реализации на уровне изобретения способа изготовления термометров сопротивления на основе кристаллического германия, "легированного" радиациоными дефектами, с малой инерционностью и большим (изменяемым) диапазоном чувствительности для широкой области температур (1,6 - 300 К).

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ СОИСКАТЕЛЯ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Ермолаев О.П. Влияние гамма-облучения на прыжковую проводимость германия, легированного сурьмой / Сб. "Физика твердого тела и полупроводников".- Мн,: ИФ АН БССР, 1974. - С.93-94.

2. Добрего В.П., Ермолаев О.П. Прыжковая проводимость германия п-типа, облученного гамма-квантами ,0Со // ФТП. - 1975.

Т.9, N5. - С.926-928.

3. Добрего В.П., Ермолаев О.П. Прыжковая проводимость в германии по мелким уровням радиационных дефектов // ФТП.- 1976,- Т.10, N5. - С.999-1001.

4. Добрего В.П., Ермолаев О.П. Прыжковая проводимость в германии по мелким уровням радиационных дефектов // Сб. "Радиационные эффекты в германии". - Препринт 76-24/КИЯИ. - Киев, 1976.

С.25.

5. Ермопаев О.П., Нго Суан Дык, Колядко A.B. Изучение отжига радиационных нарушений в n-Qe путем исследования прыжковой проводимости. - Препринт 117/ИФ АН БССР. - Мн., 1977. - С.41.

в. Добрего В.П., Ермолаев О.П. Изучение влияния облучения у-квантами 60 Со и отжига радиационных дефектов в германии n-типа путем исследования прыжковой проводимости // ФТП. 1977. - Т.11, N10. - С.1897- 1901.

7. Dobrego V.P., Ermolaev O.P., Tkachev V.O. Investigation of Shallow Radiation Defect Levels Produced in Ge by FastNeutron Irradiation. // Phye. Stat. Sol. (a).- 1977. - v.44, N2. - P.435-442.

6. Добрего В.П., Ермолаев О.П. Изучение влияния облучения быстрыми нейтронами и отжига радиационных дефектов в германии n-типа путем исследования прыжковой проводимости // ФТП. 1977. - Т.11, N10. - С.1946-1950.

9. Добрего В.П., Ермолаев О.П. Изучение отжига мелких уровней радиационных дефектов в германии путем исследования электрофизических характеристик при низких температурах. // Радиационные эффекты в твердых телах. Тез. докл. Всесоюэн. конф. Ашхабад, 1977. - С.74-75.

10. Ермолаев О.П. Исследование радиационных дефектов в германии методом прыжковой проводимости: Автореф. дис... канд. физ.-мат. наук: 01.04.10 / Бел. гос. ун-т. - Мн., 1978. - 14 с.

11. Ермолаев О.П., Сурганова Т.Ф. Исследование радиационных дефектов в полупроводниках n-типа, облученных быстрыми нейтронами // Сб. "Приборы, физика твердого тела, оптика полупроводников, физика полупроводников. - Мн.: ИФ АН БССР, 1978.

с.125.

12. Добрего В.П., Ермолаев О.П. О неполном отжиге радиационных дефектов в германии // ФТП. - 1980. - Т.14, N6. - С.1120 -11 24.

13. Добрего В.П., Ермолаев О.П. Изучение прыжкового механизма электропроводимости. // Разработка лабораторной работы. Дел. в ВИНИТИ 24 февраля 1960г. - N4969-60 деп.

14. Добрего В.П., Ермолаев О.П., Лаппо М.Т., Сурганова Т.Ф. Влияние компенсации глубокими радиационными уровнями на электрические и оптические свойства сильно легированного п-германия // Тезисы докладов 2-го Всесоюзного совещания по глубоким уровням в полупроводниках. - ч.1. - Ташкент, 1980. - С.138.

15. Ермолаев О.П., Сурганова Т.Ф., Жердев А.П., Козлов Е.Ю. Прыж-

косая проводимость с переменной длиной прыжка в облученном германии. // Сб. "Теоретическая и ядерная физика, физическая оптика, спектроскопия и люминесцеция, физика полупроводников". - Мн.: ИФ АН БССР, 1980. - С.128.

16. Ермолаев О.П., Тарасюк P.A. Изучение радиационных дефектов в p-Ge методом прыжковой проводимости. // VII Республиканская конференция молодых ученых по физике. Тез. докл. конф. Минск, 1982. - С.142.

17. Ермолаев О.П., Каба С. Прыжковое пьезосопротивление германия с радиационными дефектами. // Республиканская конференция молодых ученых по физике. Тез. докл. конф. - Минск, 1984.-С. 38

18. Ермолаев О.П., Каба С., Тарасик М.И. Изучение влияния одноосных упругих деформаций на прыжковую проводимость попупровод-ников. // Постановка лабораторной работы для учебного практикума. - 1984. - Деп. в НИИ ВШ 06.12.84 N1304.

19. Добрего В.П., Ермолаев О.П., Каба С., Тарасик М.И. Влияние одноосного сжатия на прыжковую проводимость по мелким уровням радиационных дефектов в германии. // Вестн. Белорус. ун-та. Сер.1, физ., мат., мех. - 1986. - N3. - С.26-29.

20. Добрего В.П., Ермолаев О.П., Каба С. Влияние магнитного поля на прыжковую проводимость германия с радиационными дефектами. // ФТП. - 1987. - Т.21, N9. - С.1723-1724.

21. Добрего В.П., Ермолаев О.П.. Изучение прыжкового механизма проводимости в монокристаллическом кремнии // Сб. "Современные методы исследования полупроводников". - Мн.: БГУ, 1987. -С.35-50.

22. Добрего В.П., Ермолаев О.П., Хемеда О.М. Переход металл -изолятор в германии с радиационными дефектами. // Материалы XII Всесоюзной конференции по физике полупроводников. Ч.1. Киев: Наук, думка, 1990. - С.131-132.

23. Добрего В.П., Ермолаев О.П., Хемеда О.М. Переход Мотта в германии с радиационными дефектами. // ФТП. - 1990. - Т.24, N3. -С.555-556.

24. Ермолаев О.П., Тарасик М.И., Хаким С.А., Янчонко А.М. Влияние термообработки на электрические и рекомбинационные свойства кромния, легированного германием // VIII координационное

совещание по исследованию и применению сплавов кремния и германия. Тез. докл. - Ташкент, 1Э91. - С. 41.

25. Dobrego V., Ermolaev О., Hakim S. The Hopping Conduction and Magnetoresistance Near the Métal - Nonmetal Transition in Germanium with Shallow Radiation - Defect Levels // 14-th General Conf. Condenced Matter Division. Abstracts. - Madrid,

1994. - P.84.

26. Ермолаев О.П. Электрическая активность примесей в трансмута-ционно легированном германии // ФТП. - 1994. - Т.28, N11. -С.2021-2029.

27. Ермолаев О.П. Прыжковая проводимость с переменной длиной прыжка и магнитосопротивление германия, раэупорядоченного быстрыми нейтронами, близи перехода Мотта. // Beciji АН Беларусi. - 1995. - N1. - С.70-73.

28. Ермолаев О.П., Рамде А.Т., Хаким С.А. Прыжковая проводимость германия, легированного гаплием, облученного гамма-квантами П Вестн. Белорус, ун-та. сер.1, Физ., мат., мех. - 1995. -N3. - С.37-40.

29. Ермолаев О.П.,Хаким С.А. Прыжковое пьеэосопротивление германия, раэупорядоченного быстрыми нейтронами // Ред. ж. Вестн. Белорус. ун-та . Сер.1. Фиэ., мат., мех. - Минск,

1995. - 17 с. - Деп. в ВИНИТИ 06.05.95, N 1275 -В95.

30. Ермолаев О.П. Опредепение критической концентрации дефектов перехода диэлектрик-металл в германии, раэупорядоченном быстрыми нейтронами. // Ред. ж. Вестн. Белорус, ун-та. Сер.1. Фиэ., мат., мех. - Минск, 1995. - 23 с. - Деп. в ВИНИТИ 07.06.95, N 1681-895.

31. Патент BY 1432 С1, МКИ G01K 7/22, H01L 21/263. Способ иэго-товления германиевых термосопротивлений для измерения низких температур / Ермолаев О.П., Уренев В.И. Заявка N 511 от 13.07.93. Опубл. Аф1Цыйны Бюлетэнь - 1995.- N1. - С.20.

32. Ермолаев О.П. Температурные поправки к проводимости в германии, сильно "легированном" радиационными дефектами // Ред. ж. Вестн. Белорус, ун-та. Сер.1.Физ., мат., мех. - Минск, 1995. - 10 с. - Деп. в ВИНИТИ 01.08.95, N 2345 -В95.

33. Ермолаев О.П.,Хаким С.А. Эффективность образования радиа-

ционных дефектов с мелкими уровнями в германии, облученном быстрыми нейтронами // Ред. ж. Вестн. Белорус, ун-та. Сер.1. Фиэ., мат., мех. - Минск, 1995. - 9 с. - Деп. в ВИНИТИ 01 .08.95, N 2344 -В95.

34. Добрего В.П., Ермолаев О.П. Межпримесная иэлучательная рекомбинация в р-германии, трансмутационно легированном быстрыми (надкадмиевыми) нейтронами // ЖПС. - 1996. - Т.вЗ, N 1.

С.167-171.

35. Ермолаев О.П. Особенности перехода диэлектрик-металл в германии, "легированном" радиационными дефектами. // Вестн. Белорус, ун-та. сер.1. Фиэ., мат., мех. - 1996. - N1. - С.19-21.

36. Ермолаев О.П. Концентрационная зависимость подвижности в германии, разупорядоченном быстрыми нейтронами // Ред. ж. Вестн. Белорус, ун-та. Сер.1. Физ., мат., инф. - Минск, 1996. - 9 с. - Деп. в ВИНИТИ 26.06.96, N 2116 -В96.

37. Ермопаев О.П.,Хаким С.А. Высокотемпературный отжиг радиационных дефектов в германии, разупорядоченном быстрыми нейтронами // Ред. ж."Вестн. Белорус, ун-та . Сер.1. Физ., мат., инф. Минск, 1996. - 10 С. - Деп. в 'ВИНИТИ 26.08.96, N 2115 -В96.

38. Ермолаев О.П., Хаким С.А. Скейлинговый подход к переходу диэлектрик - металл в германии, "легированном" радиационными дефектами. //Вестн. Белорус, ун-та. сер.1. Физ., мат., инф.-1996. - N3. С.36-37.

39. Ермолаев О,Л. Низкотемпературная фотолюминесценция в германии, облученном быстрыми нейтронами // ЖПС. - 1997. - Т.64, N 4. - С.479-482.

40. Ермолаев О.Л. Прыжковая проводимость вблизи перехода диэлектрик-металл в германии, "легированном" радиационными дефектами //II Международная конференция "Взаимодействие излучений с твердым телом". Тез. докл. - Минск, 1997. - С.66.

31

РЕЗЮМЕ Ермолаев Олег Павлович Прыжковая проводимость и переход диэлектрик-металл в кристаллическом германии, раэупорядоченном радиацией

Ключевые слова: германий, примеси, радиационные дефекты, трансмутационное легирование, межпримесные переходы, прыжковая проводимость, иэлучательная рекомбинация, электрическая активность. Объект исследования. Кристаллический германий, легированный (металлургически) примесями Ш и V групп; трансмутационно легированный германий; германий, "легированный" радиационными дефектами. Цель работы. Изучение закономерностей электронных переходов между локализованными состояниями, (примесей и (или) радиационных дефектов) в кристаллическом германии, раэупорядоченном радиацией, как в области сильной локализации, так и в окрестности перехода диэлектрик-металл .

Впервые установлены закономерности электронных процессов в особом типе неупорядоченной системы - германии, "легированном" радиационными дефектами с мелкими энергетическими уровнями. Этот результат получен благодаря комплексному исследованию низкотемпературной (в основном, прыжковой) проводимости, эффекта Холла и низкотемпературной (4,2 К) фотолюминесценции кристаллического германия, разупорядоченного радиацией в широком интервале концентраций радиационных дефектов (примесей), степени компенсации, в условиях широко меняющихся внешних условий: одноосной упругой деформации, температуры, магнитных полей. Впервые установлена необходимость количественного учета эффекта трансмутационного легирования германия при облучении быстрыми (надкадмиевыми) нейтронами реактора, что имеет важное значение для технологии получения материала с повышенной однородностью распределения примесей. Метод изучения температурных зависимостей прыжковой проводимости адаптирован к исследованию радиационных нарушений в кристаллах полупроводников. Приведены результаты разработки и реализации на уровне изобретения способа изготовления термометров сопротивления на основе германия, "легированного" радиациоными дефектами. Обп.асхи применения результатов: физика неупорядоченных систем, радиационная физика и технология полупроводников, электроника.

32 Рззюмэ Г'рмаласу Ллег Пауламi'i Скачковая праиадимасць i переход дыялектрык-мстал у крыштошчным гсрманй, разупарадкаваным радыяцыяй

Ключавыя словы: гермаш'й, дамеиио, радмнцыйныя дк|)ок1ы, трансмугацыйаае лсправаннс, мгждамамкаш.ш мераходы, скачковая правадз1масць, выпрамсньвальная ржамбшацыя, электрычная актыунаць.

АГГскт даследаванпя. Крыштшичны i-ермашй, леправаны (металурпчна) дамсшкам1 III j Y г~руп; трансмугацыйпа лепрананы гсрмашй; гермамШ, "лепрананы" радыяцыйным! д м|>скг1ам1. Мата работы. Вывучэнне заканамернасцей ->лекп ройных пераходау пам^ж лакал1зованым1 станаьо (дамсшак i (аГю) радыяцыйных дэфсктау) у крышталпчным rcpMauii, разупарадкаваным радыяцыяй, як у вобла«« моциай лакшвзацьн, так i у навакошп пераходу дыялектрык-мстал.

Упершышо даследавапы заканамернасщ электронных npaipcay у асаблшым тыпе неунарадкавыных cicioM - гермами, "лепрананым" родыяцыйным) дэфсктам1 з плыпнм! знергетычным1 узроунямг Гэты вышк атрыман дзякуючы комилскснаму даследананню шзкатэмпературнай (у асиоуным, скачковай) прападнмаыи, эфекта Хода i шзкатэмпературнай (4,2 К) фоталклшпецэнцьн крыштальнага гермашя, разупарадкаванша радыяцыяй у шыроюм штэрвале канцэитрацый радыяцыйных дэфсктау (дамсшак), cryneni кампенсацьп, ва умовах широка мяняючыхея ионкавых умоу: аднавоснай пругкай дэфармацыЦ температуры, магштный палей. Упершышо установлена нсабходнасць колькаснага улжу эфекту траисмутацыйнага леправания герман1я пры абпраменьванш xynciMi (надкадм»евым!) нейтронам! рэактара, што мае важнае значэнне для тэхналоги атрымання магэрыялау з павышанай адиароднасцю размеркавання дамешак. Мстад вывучэння тэмпературных залежнасцей скачковай правадз1масц1 адапщраваны да даследавання радыяцыйных нарушэнняу у крышталях паупршадлжор. Прыведзены вышю распрацоую i рэалзацьй на узроуш выиаходшцтва спосабу вырабу тэрмометрау супрацдулешш па аснове гсрман1я, "леправанага" родыяцыйным1 дэфектам!.

Вобласщ прымянешш: ф!з1ка неупарадкаваных cici-эм, радыяцыйная фшка i тэхншюпя пауправадшкоу, элехтро|йка.

33

SUMMARY Ermolaev Oleg Pavlovich Hopping conductivity and dielectric-metal transition in crystalline germanium, disordered by radiation

Key words: germanium, impurities, radiation defects, nuclear transmutation doping, interimpurity transitions, hopping conductivity, radiative recombination, electrical activity.

The object of research. Crystalline germanium, doped (metallurgically) by Ml and V groups impurities; germanium doped by nuclear transmutation; germanium, "doped" by radiation defects.

The purpose of the work. The research of laws of electronic transitions between localized states (impurity and (or) radiation defects) in crystalline germanium, disordered by radiation, both in the region of strong localization •>nd in the vicinity of dielcctric-metal transition.

Laws of electronic processes in the spécial type of disordered system -germanium, "doped" by radiation defects with shallow energy levels are investigated for the first time. This result is received due to the complex research of low temperature (in basic, hopping) conductivity. Hall effect and low temperature (4.2 K) photoluminescence of crystalline germanium, disordered by radiation in the wide range of concentration of radiation defects (impurity),compensation degree, in the case of widely varying external conditions: uniaxial elastic deformation, temperature, magnetic fields. Necessity of the quantitative account of the germanium transmutation doping effect while exposing to radiation of the fast (epicadmium) reactor neutrons is established for the first time. This is very important for the technology of reception of a material with increased uniformity of impurity distribution. The method of temperature dependencies research of hopping conductivity is adapted to the research of radiation defects in semiconductor crystals. Results of development and realization at the level of the invention of the way of resistance thermometers manufacturing on the basis of germanium, "doped" by radiation defects are resulted.

The fields of application arc: physics of disordered systems, radiation physics and semiconductors technology, electronics. ''

Подписано к печати -». "--.S7. Формат 60x90 1/16 Усл.пвч.л.2.0 Тираж 100 экз. Заказ . Отпечатано на ротапринте Белгосуниверситета 220080, г.Минск, ул.Бобруйская, 7.