авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Электрофизические и тензоэлектрические свойства insb и gasb, облученных электронами, протонами и нейтронами

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Каменская Ирина Валентиновна

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ТЕНЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА InSb и GaSb,

ОБЛУЧЕННЫХ ЭЛЕКТРОНАМИ, ПРОТОНАМИ И НЕЙТРОНАМИ

Специальность 01.04.10 физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физикоматематических наук

Томск 2007

Работа выполнена в ОСП "СФТИ Томского государственного университета" и

ГОУ ВПО "Томский государственный педагогический университет",

г. Томск

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор

Брудный Валентин Натанович

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Криворотов Николай Павлович,

ОАО «Научно-исследовательский институт

полупроводниковых приборов»;

доктор физико-математических наук,

профессор Давыдов Валерий Николаевич,

ГОУ ВПО «Томский государственный университет

систем управления и радиоэлектроники»

Ведущая организация: Филиал ФГУП «Научно-исследовательский

физико-химический институт им. Л.Я. Карпова»,

г. Обнинск

Защита диссертации состоится "14" ноября 2007 г. в 14 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д212.269.02 при ГОУ ВПО "Томский политехнический университет" (634050, г. Томск, пр. Ленина, 30).

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

Автореферат разослан "10" октября 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.269.02

д.ф.-м.н., профессор М.В. Коровкин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

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

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



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

Цель и задачи исследования

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

Конкретными задачами исследования являлись:

определение "предельных" электрофизических параметров и "предельного" положения уровня Ферми Flim в облученных кристаллах InSb и GaSb;

выявление связи "предельных" электрофизических характеристик и Flim с особенностями зонного энергетического спектра соединений InSb и GaSb;

исследование облученного GaSb в условиях гидростатического сжатия с целью получения информации об особенностях формирования состояний радиационных дефектов;

изучение термической стабильности радиационных дефектов в InSb и GaSb в области температур (20-500) оС.

Объект исследований

Объектом исследования являются объемные кристаллы InSb и GaSb n– и p–типа проводимости, полученные методом Чохральского, ядерно-легированные кристаллы n-InSb и нитевидные микрокристаллы n-InSb(Sn), полученные методом свободной кристаллизации из газовой фазы, облученные электронами интегральными потоками до 11019 см-2, протонами  до 21016 см-2 и быстрыми нейтронами  до 3.11016 см-2.

Научная новизна результатов работы

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

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

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

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

Практическая значимость работы

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

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

Научные положения, выносимые на защиту

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

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

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

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

Апробация работы

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

Публикации

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

Личный вклад автора

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

Структура и объем диссертации.

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

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

Первая глава содержит анализ литературных данных по исследованию свойств соединений InSb и GaSb, облученных высокоэнергетическими частицами – электронами, протонами и быстрыми нейтронами. Показано, что до настоящего времени нет однозначного ответа на то, как изменяются электрофизические свойства кристаллов InSb при различных условиях облучения, неизвестны его "предельные" электрофизические характеристики после облучения. Так, облучение гамма-квантами или электронами с E = (12) МэВ при низких температурах в InSb формирует материал p–типа проводимости, в то время как различные виды облучения при Т  300 К, а также облучение InSb быстрыми нейтронами или электронами высоких энергий при любых температурах формируют материал n–типа проводимости. Не выполнены исследования влияния протонного облучения на электрофизические свойства GaSb. Не исследовался отжиг радиационных дефектов при температурах выше 300 К в кристаллах InSb, облученных электронами и протонами. Для GaSb не были выполнены исследования электрофизических свойств в условиях высокодозового облучения – электронного до 11019 см-2 и протонного до 21016 см-2. Не изучались РД в условиях гидростатического сжатия. Не получило объяснения почему соединения (In, Ga)-Sb после облучения приобретают p-тип проводимости, в то время как соединения III-(N, P, As) n-тип проводимости или становятся высокоомными после высокоэнергетического облучения.

В заключении к главе 1 сформулированы цель и задачи исследований.





Во второй главе представлены исходные параметры и характеристики исследуемых материалов InSb и GaSb, методика приготовления образов и измерения их параметров, условия облучения образцов электронами, протонами и реакторными нейтронами, методика отжига облученного материала.

Для исследований использованы следующие материалы:

(1) n-InSb (ИСЭ), выращенный методом Чохральского, легированный Te в процессе роста; ядерно-легированный InSb (ЯЛИС) с примесью Sn, полученной за счет ядерной реакции InSn; p-InSb (ИСД), легированный акцепторной примесью Zn; нитевидные микрокристаллы n-InSb, полученные методом свободной кристаллизации из газовой фазы, легированные примесью Sn.

(2) n-GaSb, выращенный методом Чохральского, полученный перекомпенсацией ростового материала за счет легирования донорной примесью Te, а также образцы p-GaSb специально нелегированные и легированные акцепторной примесью Zn.

Облучение образцов вблизи 300 К проводилось: (1) электронами с E  1 МэВ на ускорителе типа "ЭЛВ-2" (ФГУП "НИФХИ им. Л.Я. Карпова", г. Обнинск); (2) электронами с E  2 МэВ на ускорителе типа "ЭЛУ-4" (ИФ НАН Украины, г. Киев); (3) протонами с энергиями 5 и 10 МэВ на циклотроне ИЯФ ТПУ г. Томск; (4) нейтронами со средней энергией 1.5 МэВ на импульсном реакторе ИБР-2 (лаборатория нейтронной физики ОИЯИ, г. Дубна)

Толщина образцов (d) InSb и GaSb для облучения протонами выбиралась на основании известных значений проецированных пробегов () протонов с энергиями 5 и 10 МэВ в GaAs (135 мкм и 422 мкм, соответственно) c использованием формулы Брэгга-Климана. Обработка электрофизических параметров проводилась с учетом биполярной проводимости в случае InSb и в 3-х зонном приближении с учетом близкого расположения Г6С - и L6C-минимумов зоны проводимости для GaSb.

Изохронный и изотермический отжиг исходного и облученного материалов проводился в температурном интервале (20-500) оС.

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

Облучение электронами вблизи 300 К приводит к уменьшению плотности дырок и p-n конверсии типа проводимости p-InSb, а в n+-InSb концентрация свободных электронов уменьшается и стремится к общему для всех материалов значению n  (2101371013) см-3 (77 К) (рис. 1), что соответствует смещению уровня Ферми (F) в положение ЕС  (0.0290.037) эВ. Ядерно-легированный InSb при облучении электронами ведет себя подобным образом, не проявляя каких-либо особенностей. При облучении протонами изменения постоянной Холла RH аналогичны электронному облучению - плотность свободных электронов во всех исследованных образцах также стремится к общему значению nlim  (23)1013 см-3 (рис. 2).

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

Обнаружен участок "аномальной" зависимости на кривых RH(D) при протонном облучении – уменьшение RH при дозах D > 51015 см-2 вследствие проявления прыжковой проводимости по "дефектной" зоне, расположенной вблизи уровня Ферми ЕС  (0.0290.037) эВ.

Проведено исследование электрофизических свойств нитевидных микрокристаллов ("усов") n-InSb(Sn) c no = (5.710161.41018) см-3, облученных реакторными нейтронами потоками до 3.11016 см-2. При таком облучении происходят два противоположных процесса: (1) - компенсация исходной проводимости n-InSb за счет захвата свободных электронов РД акцепторной природы, тем более эффективная, чем выше уровень исходного легирования материала; (2) - легирование InSb донорной примесью SnIn за счет реакции InSn, эффективность которой не зависит от уровня легирования исходного материала. Задачей эксперимента являлось определение условия n/D  0 см-1 путем выбора уровня легирования исходного n-InSb. Было показано, что скорость введения свободных электронов за счет легирования InSb примесью Sn при реакторном облучении составляет (0.7-0.9) см-1, что позволяет подобрать исходный уровень легирования материала no  6.41017 см-3, для которого n/D  1% при D  3.11016 см-2. Эти исследования послужили базой для разработки генераторов Холла на основе "усов" InSb, которые могут работать в условиях высокоэнергетического воздействия – в ядерной физике, околоземном пространстве.

Результаты изменения удельного сопротивления при 77 К для различных типов облучения – электронного (1 МэВ), протонного (10 МэВ), облучения быстрыми или реакторными нейтронами для InSb n-типа (светлые значки) и p-типа (темные значки) проводимости суммированы на рис. 3. Эти данные показывают, что при облучении электронами и протонами изменение идентично, а облучение реакторными или быстрыми нейтронами приводит не только к образованию РД, но и к легированию материала водородоподобной примесью Sn за счет реакции InSn, что проявляется в уменьшении удельного сопротивления InSb при больших потоках нейтронов.

Проведенные исследования температурных зависимостей RH(T) в облученных образцах выявляют энергетический уровень вблизи EC - 0.03 эВ, что близко "предельному" положению Flim  ЕС  (0.0290.037) эВ в облученном InSb и совпадает с уровнем ловушки электронов ЕС  0.032 эВ - единственного дефекта, зафиксированного емкостными измерениями в облученном электронами (E  2 МэВ) n-InSb [1].

В интервале температур (20-500) оС исследована термическая стабильность облученных электронами (1 МэВ) и протонами (10 МэВ) образцов InSb. Выявлены характерные стадии отжига РД: I – преимущественный отжиг дефектов донорного типа вблизи (80300) оС, что приводит к n-p-конверсии типа проводимости электронного материала (рис. 4); 2 - отжиг дефектов акцепторного типа вблизи (300380) оС, вызывающий смещение F в верхнюю половину запрещенной зоны, вследствие чего наблюдается p-n-конверсия типа проводимости; 3 - образование термоакцепторов при Тотж > 300 оС, приводящее к формированию материала p-типа проводимости как в исходных, так и в облученных образцах при Тотж  (430450) оС.

В четвертой главе представлены результаты исследования электрофизических и тензоэлектрических свойств GaSb, облученного электронами (Е2 МэВ) и протонами (Е5 МэВ). Облучение электронами приводит к np конверсия типа проводимости в n-GaSb, а в случае исходного p++-GaSb плотность дырок при облучении уменьшается. При этом уровень Ферми смещается к потолку валентной зоны в положение близкое Flim  EV + 0.01 эВ, соответствующее значению предельной концентрации дырок plim  2.51018 см-3 при 300 К (рис. 5). Облучение ионами Н+ приводит к аналогичным изменениям электрических параметров GaSb (рис.6). С увеличением дозы облучения ионами Н+ концентрация дырок во всех материалах стремится к "предельному" значению около plim 2.51018 см-3 (300 К) как и при электронном облучении.



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.