Кінетичні ефекти у твердих розчинах кремній-германій

Для аналізу тензоефектів у кристалах твердих розчинів кремній-германій спочатку було досліджено вплив ізовалентної домішки на рухливість   носіїв струму. Теоретичні розрахунки рухливості у n-кремнії без ІВД германію із врахуванням розсіяння на довгохвильових акустичних фононах і міждолинного розсіяння імпульсу при взаємодії електронів із фононами відповідних усереднених температур 190K і 630K дають доволі добре узгодження з експериментом у широкому температурному інтервалі 80…450K.

Характерною особливістю залежностей   для n-кремнію з ІВД германію є занижені значення рухливості електронів при температурах T<200K у порівнянні з n-Si вільним від ІВД. Таке зменшення рухливості могло спостерігатися при збільшенні концентрації іонізованих домішок, однак, у досліджуваних кристалах вона була практично однакова. Отже, при зниженні температури кристалів <200K і концентраціях неосновної компоненти   крім типових механізмів розсіяння додається механізм розсіяння електронів на ІВД германію. В області температур 220…450K нахили всіх кривих практично однакові , що свідчить про основну роль міждолинного розсіяння і розсіяння на коливаннях ґратки в досліджуваних кристалах.

Відомо, що у кремнії можливими є міждолинні переходи електронів із поглинанням чи випусканням фононів двох типів: g- та f-переходи. Застосування сильних одновісних деформацій (Р||[100]) дозволяє реалізувати двохдолинну зону провідності. Значення рухливості електронів провідності, які одержані при таких експериментальних умовах ([100]||P=14000кГ/см2), для кристалів n-кремнію з різними концентраціями ІВД германію в температурному інтервалі 77…350K досить точно лягають на одну пряму в координатах   з нахилом m=-1. 6, що свідчить про визначальний вклад f – переходів у міждолинне розсіювання електронів як у звичайному кремнії, так і твердих розчинах Si<Ge> при  .

Результати досліджень поздовжнього п'єзоопору від тиску P||J[100] для кристалів n-Si без ІВД і n-кремнію з різним вмістом ізовалентної домішки германію показали, що загальною особливістю залежностей   є зменшення величини п'єзоопору, що чітко виявляється в області насичення, із збільшенням концентрації ІВД Ge. Оскільки явище тензоефекту зумовлене анізотропією направлено деформованого кристала, то з отриманих результатів випливає, що введення в кристал ІВД змінює відповідні анізотропні параметри. На основі залежностей   визначено параметр анізотропії рухливості

 ,

який із збільшенням концентрації ІВД германію зменшується. Параметр анізотропії рухливості пов'язаний з іншими важливими характеристиками анізотропних властивостей кристала – це параметр анізотропії ефективних мас та параметр анізотропії часів релаксації: K=Km/Kt. Значення K й Kt отримані для кристалів n-Si з ІВД германію та звичайного n-Si практично співпадають з літературними даними для кристалів з такою ж концентрацією іонізованих донорів (Ni<1014см-3). Наближення параметра анізотропії часів релаксації Kt до одиниці при зростанні концентрації ІВД германію до 1020см-3 свідчить про те, що при вказаній концентрації розсіяння на ІВД германію в кристалах кремнію близьке до ізотропного.

За експериментальними результатами п'єзоопору та рухливості було визначено значення   і   в окремо взятому ізоенергетичному еліпсоїді. Встановлено, що   практично не залежить (з точністю до 4%) від концентрації ізовалентної домішки, тоді як   суттєво зменшується при збільшенні вмісту ІВД германію у n-Si (рис. 2). Така поведінка  ,   знаходиться в повній відповідності з дослідними даними по п'єзоопору і свідчить про суттєвий вплив наявності ІВД на величину  .

За результатами досліджень поздовжнього п'єзоопору визначено константи деформаційного потенціалу. Виявляється, що для чистогоn-Si, вільного від ІВД і для кристалів n-Si з ІВД германію аж до концентрацій NGe<7*1019см-3 значення константи деформаційного потенціалу не змінюється і становить 9. 3eB. Лише при збільшенні концентрації до NGe=2*1020см-3 спостерігається тенденція зменшення величини константи деформаційного потенціалу до 9. 0eB.

Радіаційні ефекти досліджувались у кристалах твердих розчинів кремній-германій, вирощених методом Чохральського, n-типу з питомим опором 40…42 Ом*см, концентрацією ізовалентної домішки NGe=7*1019см-3. Опромінення гама-квантами 60Со проводилося дозами до 5*1017см-2 при кімнатних температурах. За вимірюваннями електропровідності та ефекту Холла побудовано температурні залежності носіїв струму в кристалах n-Si<Ge> після гама-опромінення. За нахилами залежностей n=f (103/T) визначено положення енергетичного рівня радіаційних дефектів у забороненій зоні. Глибина залягання рівня становить Ec-0. 19eB і належить A-центру. Отримані експериментальні дані дали можливість визначити концентрації A-центрів в опромінених кристалах. Вони виявилися рівними 2. 7*1014см-3 та 2. 9*1014см-3. Встановлено, що середня швидкість генерації A-центрів при гама-опроміненні дорівнює   і не залежить від наявності ІВД германію аж до концентрацій  . Дослідження впливу сильних ОПД на положення рівня A-центра в забороненій зоні твердих розчинів кремній-германій показало, що у кристалах Si<Ge> енергетична щілина між рівнем A-центра і нижніми долинами зони провідності лінійно зменшується із збільшенням тиску вздовж осей [100], [110], [111]. На відміну від  -кремнію без ІВД германію, в твердих розчинах Si<Ge> спостерігається помітна зміна концентрації носіїв струму і при тиску вздовж напряму [111]. Баричні коефіцієнти зміни енергетичної щілини для A-центра в n-Si<Ge> виявилися рівними: 5. 3*10-3eB/кбар, 1. 3*10-3eB/кбар, 0. 6*10-3eB/кбар для напрямів [100], [110], [111] відповідно. Зміщення самого енергетичного рівня Ec-0. 19eB в n-Si<Ge> дає значення 0. 7*10-3eB/кбар і 0. 2*10-3eB/кбар вгору за шкалою енергій для напряму [100] і [110] відповідно. Для випадку P||[111] величину зміщення визначити не вдається, але зрозуміло, що за напрямом це