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 | 3 |

Исследование фотоэлектрических и магнитных свойств кремния с нанокластерами атомов марганца

-- [ Страница 1 ] --

АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

НПО «ФИЗИКА-СОЛНЦЕ» им. С.А.АЗИМОВА

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. С.В.СТАРОДУБЦЕВА

На правах рукописи

УДК 621. 315. 592.

МАВЛОНОВ ГИЁСИДДИН ХАЙДАРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ КРЕМНИЯ С НАНОКЛАСТЕРАМИ АТОМОВ МАРГАНЦА

01.04.10 - физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Ташкент 2010

Работа выполнена на кафедре «Электроника и микроэлектроника» Ташкентского государственного технического университета имени Абу Райхана Беруни.

Научный руководитель : кандидат физико-математических наук, доцент Аюпов Кутуб Саутович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Мирсагатов Шавкат Акрамович

кандидат физико-математических наук, доцент Назыров Дилшод Эргашевич

Ведущая организация: Самаркандский государственный университет

Защита состоится «____»___________ 2010 года в ___ часов на заседании специализированного Совета Д.015.08.01 при Физико-техническом институте НПО «Физика-Солнце» им. академика С.А.Азимова АН РУз по адресу: 100084, г.Ташкент, ул. Г. Бодомзор йули, 2Б. Тел. (871) 233-12-71, Факс (871) 235-42-91,

E-mail:karimov@physic.uzsci.net

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физико-технического института НПО «Физика-Солнце» АН РУз.

Автореферат разослан «____» ______________ 2010 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по выше указанному адресу на имя ученого секретаря Специализированного Совета.

Ученый секретарь

Специализированного Совета

д.ф-м.н., профессор А.В. Каримов

  1. Общая характеристика диссертации

Актуальность работы. Формирование нанокластеров примесных атомов в кристаллической решетке полупроводников, с управляемой концентрацией и структурой является принципиально новым подходом в получении наноразмерных структур. В отличие от существующих способов создания наноразмерных структур с помощью дорогостоящего оборудования в процессе сложных технологических операций, наш способ формирования нанокластеров примесных атомов обладает рядом преимуществ: возможностью создания наноразмерных структур по всему объему кристалла, управления их размером и структурой, а также возможностью создания магнитных и многозарядных нанокластеров.

До настоящего времени практически не исследованы возможности формирования многозарядных нанокластеров в полупроводниках и свойства таких материалов. Формирование магнитных и многозарядных нанокластеров в решетке полупроводника позволяет раскрыть еще не известные физические особенности и грани таких наноструктур, представляющие большой научный и практический интерес.

Формирование нанокластеров примесных атомов в решетке полупроводника с магнитными моментами и различными зарядовыми состояниями, требует нового технологического и термодинамического подхода к управлению состоянием примесных атомов в решетке. Получение полупроводниковых материалов с многозарядными и магнитными кластерами, это практически новое научное направление позволяющее раскрыть уникальные физические явления с большими функциональными возможностями их практического применения в электронике.



Степень изученности проблемы. Формирование нанокластеров примесных атомов с помощью ионной имплантации, радиации и химических методов, их влияние на свойства материалов, изучается недавно, но достаточно интенсивно [1,2,3]. Однако создание многозарядных и магнитных кластеров методом диффузионного легирования и исследование влияния таких нанокластеров на физические свойства полупроводников еще практически не изучены.

Связь диссертационной работы с тематическими планами НИР.

Диссертационная работа выполнялась на кафедре «Электроника и микроэлектроника» ТашГТУ согласно программе государственного гранта ОТ-Ф2-079 «Исследование термодинамических условий формирования наноразмерных магнитных кластеров в кремнии, изучение магнитных и фотомагнитных свойств материалов и структур, полученных на их основе». 2008-2011 г

Цель диссертационной работы - разработка технологии формирования нанокластеров атомов марганца в решетке кремния с управляемым магнитным моментом и зарядовым состоянием, исследование влияния таких нанокластеров на электрические, магнитные и фотоэлектрические свойства кремния и определение их функциональных возможностей для использования в электронике.

Задачи исследования:

  1. Разработать технологию низкотемпературного диффузионного легирования и определить оптимальные термодинамические условия формирования нанокластеров атомов марганца в решетке кремния
  2. Исследовать электрофизические свойства кремния с нанокластерами атомов марганца и определить температурную область существования нанокластеров со стабильными параметрами.
  3. Исследовать особенности магнитных свойств кремния с нанокластерами атомов марганца. Определить магнитную восприимчивость, намагниченность и магнитный момент в таких материалах. Установить условия обнаружения максимального отрицательного магнитосопротивления и закономерности изменения отрицательного магнитосопротивления в зависимости от параметров материала.
  4. Исследовать особенности фотоэлектрических свойств кремния с многозарядными нанокластерами.
  5. Определить структуру и состав нанокластеров, а также функциональные возможности использования кремния с нанокластерами атомов марганца.

Объект и предмет исследования. В качестве исследуемого объекта был выбран монокристаллический кремний р-типа, марки КДБ с удельными сопротивлениями =2, 5, 10, 100 Омсм. В качестве примеси был выбран марганец, так как марганец обладает уникальной электронной структурой 3d5 4S2, является одним из эффективных парамагнитных атомов, а также химически активно взаимодействует с другими дефектами в решетке. Предметом исследования являются закономерности влияния нанокластеров на электрические, магнитные и фотоэлектрические свойства кремния.

Методы исследования. Структура нанокластеров атомов марганца в Si исследовалась методом электронного парамагнитного резонанса, а также методом атомного силового микроскопа. Электрические свойства таких материалов изучались методом эффекта Холла в широкой области температур, магнитное сопротивление изучалось на специально разработанной установке позволяющей варьировать электрические и магнитные поля, температуру и интенсивность освещения. Фотоэлектрические свойства образцов исследовались на установке ИКС-21, снабженной специальным криостатом, дающим возможность изучения спектральной зависимости фотопроводимости в широком интервале температур, электрического поля, различной интенсивности, фонового и инфракрасно освещения.

Гипотеза исследования. Многозарядные и магнитные нанокластеры примесных атомов - новый вид проявления квантовых точек с особыми характеристиками. В полупроводниковых материалах с такими кластерами должны наблюдаться принципиально новые физические явления, представляющие большой научный и практический интерес. Формирование многозарядных и магнитных нанокластеров с управляемыми параметрами требует принципиально новых технологических решений.

Основные положения, выносимые на защиту:

  1. Научно обоснованная возможность образования нанокластеров атомов марганца в решетке кремния и практическое осуществление управления их зарядовым состоянием в интервале [(Mn)4+4,B-1]+3 [(Mn)4+8,B-1]+7.
  2. Методика получения полупроводникового материала-кремния с нанокластерами атомов марганца в многозарядном состоянии с концентрацией от 5·1013 до 2·1015см-3.
  3. Обнаруженный высокотемпературный эффект аномально большого отрицательного магнитосопротивления в кремнии в диапазоне температур от 230 К до 300 К, связанный с магнитными кластерами атомов марганца, значение, которого меняется до /=300%.
  4. Фотоэлектрические и электрофизические свойства кремния с многозарядными нанокластерами создающими энергетическую полосу в запрещенной зоне кремния с шириной Е=(Еv+0,42)(Ec-0,4) эВ и обеспечивающими гигантскую примесную фотопроводимость в области длин волн =1,58 мкм.

Научная новизна исследования:

  1. Определены и научно обоснованы оптимальные технологические режимы формирования нанокластеров атомов марганца в решетке кремния.
  2. Определены магнитный момент, магнитная восприимчивость, намагниченность, а также возможность управления магнитными моментами и кратностью зарядового состоянии нанокластеров в кремнии в зависимости от концентрации исходных атомов бора.
  3. Впервые показана возможность получения кремния с многозарядными центрами, как материала нового класса электроники с наноразмерными структурами, обладающего новыми уникальными физическими свойствами.
  4. Впервые обнаружен эффект гигантского высокотемпературного отрицательного магнитосопротивления (Т=230-320К) (/300%) и установлены закономерности его изменения в зависимости от величины магнитного (0,62,1 Тл) и электрического (0,1400 В/см) поля, интенсивности освещения, а также температуры, которые существенно отличаются от наблюдаемых магнитосопротивлений в других полупроводниковых.
  5. Обнаружен эффект двойной инверсии знака магнитосопротивления в образцах кремния при температурах Т=170 К и Т=400 К. Установлена зависимость величины отрицательного магнитосопротивления от концентрации и зарядового состояния нанокластеров атомов марганца.
  6. Обнаружена гигантская примесная фотопроводимость в области =1,58 мкм, а также аномально большая величина остаточной фотопроводимости в кремнии с нанокластерами атомов марганца.

Научная и практическая значимость результатов исследования.

  1. Разработана технология получения кремния с наноструктурами атомов марганца по всему объему кристалла.
  2. Установлено, что гигантское высокотемпературное отрицательное магнитосопротивление, позволяет создать принципиально новый класс чувствительных магнитодатчиков и фотомагнитных приборов.
  3. Показано, что кремний с многозарядными нанокластерами является высокоэффективным материалом для создания инфракрасных фотоприемников, элементов оптической и электрической памяти. Также показано, что на основе таких материалов могут быть созданы более эффективные фотоэлементы с примесным фотоэлектрическим эффектом.
  4. Разработаны высокочувствительные магнитодатчики на основе кремния с магнитными нанокластерами.

Реализация результатов. Полученные в работе результаты могут быть внедрены на ОАО «ФОТОН» для серийного выпуска различных полупроводниковых приборов, и на кафедре " Электроника и микроэлектроника" ТашГТУ для мелкосерийного выпуска различных датчиков и учебных стендов. Также полученные результаты исследований могут быть использованы для повышения стабильности параметров кремния в процессе изготовления различных полупроводниковых приборов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных и Республиканских конференциях «Физика фанининг бугунги ривожида истедодли ёшларнинг ўрни» (Тошкент, Узбекистан, 2010); «Физик ва физик таълимнинг замонавий муаммолари» (Самарканд, Узбекистан, 2009); «Неравновесные процессы в полупроводниках и в полупроводниковых структурах» (Ташкент, Узбекистан, 2009); «VI Международная конференция и V Школа молодых ученых и специалистов Кремний -2009» (Новосибирск, Россия, 2009); «Рост, свойства и применение кристаллов» (Андижан, Узбекистан, 2008), на объединенном семинаре при Специализированном совете Физико-технического института НПО “Физика-Солнце” АН РУз.

Опубликованность результатов. По материалам диссертации опубликовано 10 научных работ, из них 5 статьей, 5 трудов конференций. Список работ приведен в конце автореферата.





Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 117 страницах печатного текста, состоит из введения, 4 глав, заключения, содержит 46 рисунков, 4 таблицы и список литературы из 102 наименований.

2. Основное содержание диссертации

Во введении проведен анализ состояния проблемы и обоснована актуальность темы исследования, научная новизна направления, изложены цель работы и основные задачи для решения данной проблемы, научная и практическая ценность проведённого исследования.

В первой главе сделан литературный обзор, где проанализированы существующие способы управления свойствами по­лупроводниковых материалов и процессы легирования их примесями. Исследование взаимодействия примесных атомов между собой и другими дефектами кристаллической решетки открывает новые возможности в получении полупроводниковых материалов с наноразмерными структурами с уникальными электрофизическими свойствами. При этом особый интерес представляют такие примесные атомы которые обладают большим коэффициентом диффузии и находятся в различных состояниях в кристаллической решетке, а также активно взаимодействуют между собой и другими дефектами кристаллической решетки. Определение оптимальных термодинамических и технологических условий взаимодействия примесных атомов является одной из главных задач формирования примесных кластеров. Практически это есть управление химической реакцией в твердых телах, которая позволяет создать, вместо дискретных одиночных примесных атомов, различные нанокластеры обладающие аномальными свойствами отличными от свойств дискретных примесных атомов. Управление взаимодействием примесных атомов между собой и дефектами решетки, позволяет разработать новые технологические решения получения принципиально новых полупроводниковых материалов с уникальными свойствами.

Во второй главе приведены научно обоснованные, оптимальные термодинамические и технологические условия формирования нанокластеров атомов марганца в кремнии, разработанная технология получения нанокластеров с управляемыми параметрами. Сущность данной технологии основана на использовании принципиально нового способа легирования кремния при низкотемпературной и поэтапной диффузии примесей. Показано, что разработанная технология, позволяет осуществить максимальное участие введенных атомов в формировании нанокластеров. Структура и состав таких нанокластеров исследованы и подвержены методом электронного парамагнитного резонанса (рис.,а) (ЭПР) и атомного силового микроскопа (рис. 1,б).

Рис.1,а. Спектр ЭПР наноклстера состоящий из 4х атомов марганца в кремнии Рис.1,б. Изображение нанокластеров примесных атомов марганца в кремнии, полученное на силовом атомном микроскопом

Установлено что нанокластеры атомов марганца формируются только в компенсированном кремнии р- типа с определенным положением уровня Ферми (F=(Ev+0,3)(Ev+0,45) эВ).

Установлено, что нанокластеры атомов марганца распределены по объему кристалла. На основе полученных результатов предложено, что нанокластеры состоят из четырех положительно заряженных атомов марганца, которые находятся в ближайших эквивалентных междоузлиях вокруг заряженного атома бора т.е. . Расчеты показывают, что кулоновская сила взаимодействия между положительно заряженными атомами марганца, а также между атомом бора (В–), определяет размеры кластеров. Расчетом был определен размер кластеров атомов марганца, который находится в интервале 12 нм, в зависимости от зарядового состояния атомов марганца. Исследование подвижности носителей заряда и её температурной зависимости в образцах с нанокластерами атомов марганца в широкой области температур показало, что в таких образцах не только наблюдаются аномально маленькие подвижности носителей заряда, но и наблюдается аномальная температурная зависимость, что не характерно для кремния.

В третьей главе приводятся результаты исследования магнитосопротивления в кремнии с нанокластерами, а также без нанокластеров, особенности отрицательного магнитосопротивления в этом материале и его зависимость от магнитного и электрического поля, от температуры, освещенности, от концентрации нанокластеров и от угловой зависимости направления магнитного поля. Зависимость магнитосопротивления от напряженности магнитного поля для образцов без нанокластеров полученных по стандартной технологии и полученных по новой технологии, в которых четко наблюдаются нанокластеры, с одинаковыми параметрами, при T=300К представлена на рис. 2. Как видно из рисунка, не только по характеру, но и по значению магнитосопротивления в образцах существенно отличаются.


1. =8103 Омсм Si<B,Mn> р-типа, 2. =6103 Омсм без нанокластеров Si<B,Mn>р-типа; 3. Контрольный Si<B> =104 Омсм, Рис.2. Зависимость магнитосопротивления образцов Si с нанокластерами от величины магнитного поля. Т=300К, Е=100В/см 1. =8102 Омсм, 2. =8103 Омсм, 3. =1,2104 Омсм, 4. =2104 Омсм, 5. =4104 Омсм, 6. =1,2105 Омсм, 7. =2105 Омсм р-типа, Рис.3. Зависимость магнитосопротивления от электрического поля при различных удельных сопротивлениях. Т=300К, В=2 Тл


Pages:   || 2 | 3 |
 

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.