Влияние строения на электропроводность кристаллов полупроводникового германия

В настоящее время востребованы материалы с уникальным сочетанием электрофизикомеханических свойств. К их числу принадлежат монокристаллы германия с минимальным содержанием примесей и дефектов. Такие кристаллы имеют колоссальную перспективу в связи с развитием полупроводниковых нанотехнологий. Они используются в фотоэлектронике в качестве подложек для эпитаксиальных АIII–ВV оптико-электронных структур, которые требуются для изготовления солнечных элементов на основе систем GaInP/GaInAs/Ge, являющихся эффективными фотопреобразователями, имеющими к.п.д. выше 39 % [1].

Малодислокационный особо чистый германий (ОЧГ) необходим для производства радиационно стойких фотоэлектрических детекторов, где требуются кристаллы с содержанием линейных дефектов порядка 100 см-2 и концентрацией электрически активных примесей на уровне 109–1010 см-3 [2].

Одной из проблем производства особо чистого германия является контроль примесей, содержание которых находится на уровне чувствительности современных аналитических прибо-

ров. Это обстоятельство, а также известный факт, согласно которому в ОЧГ преобладают примеси одного (акцепторного) типа, преимущественно B, Ga, Al [3], обусловили использование электрического метода для определения концентрации примесей, основанного на холловских измерениях. Электрические измерения осуществляют при низкой температуре в интервале от 80 до 200 К, соответствующем области истощения примесей, и проводят их как на монокристаллических, так и на поликристаллических образцах.

В связи с этим представляет интерес вопрос о взаимосвязи электропроводности и строения кристаллов германия, на изучение которого направлена настоящая работа.

Методика эксперимента

Эксперименты проводили на поликристаллических образцах двух типов: особо чистого германия (ОЧГ) с концентрацией электрически активных примесей на уровне 1010 см-3 и оптического германия марки ГПО, легированного сурьмой, с содержанием легирующей примеси на уровне ~1015 см-3.

Кристаллы ОЧГ получали методом зонной плавки в контейнерах из аморфного кварца с комбинированным покрытием состава C+SiO2 [4]. В качестве исходного сырья использовали германий марки ГПЗ. Химическая чистота ГПЗ, соответствующая марке 6N (99,9999 масс. %), определяет удельное электросопротивление материала >47 Омхсм при комнатной температуре. Зонную плавку производили в печи с индукционным нагревом, в атмосфере водорода, ширина расплавленной зоны составляла 50 мм, скорость ее перемещения 3 мм/мин, количество проходов >5.

Для получения кристаллов ГПО использовали установку горизонтальной направленной кристаллизации, где в среде водорода при 1273 К производилось расплавление германия, легированного сурьмой, затем осуществлялась кристаллизация со скоростью 2 мм/мин.

Из закристаллизованных слитков германия марок ОЧГ и ГПО вырезали квадратные пластины 12x12 мм2, толщиной 1,0 мм. Микроструктуру образцов выявляли путем травления в смеси азотной и плавиковой кислот, взятых в соотношении 3:1. Размер зерен определяли методом секущих по микрофотографиям, снятым на микроскопе Nikon Epiphot 300. Электрическое сопротивление кристаллов измеряли четырехзондовым методом с помощью установки Ecopia HMS-5000 в температурном интервале от 80 до 300 К с ошибкой, не превышающей 5 %.

Обсуждение результатов

На рисунке 1 представлены графики температурной зависимости удельного электрического сопротивления р и удельной электрической проводимости о исследуемых поликристалли-ческих образцов германия.

Из приведенных данных следует, что при изменении температуры в диапазоне 80÷300 К для образцов ОЧГ удельная электрическая проводимость увеличивается от 2x10^-5 до 0,02 Ом^- 1 см^-1, для ГПО о изменяется от 20,0 до 40,0 Ом^-1см^-1. В интервале температуры от ~ 130 до ~ 200 К находится область истощения примесей, характеризующаяся постоянством электропроводности. Данная область отвечает равенству концентраций носителей заряда и электроактивных примесей. По значениям о и величине холловской подвижности носителей заряда в области истощения примесей производится оценка их концентрации в образцах особо чистого германия.

б

Рис. 1. Графики температурной зависимости удельного электрического сопротивления (а) и удельной электрической проводимости (б) поликристаллических образцов германия с различным размером кристаллитов: 1 – 0,5; 2 и 4 – 4,0; 3 – 11,0 мм

Из приведенных данных следует, что удельная электрическая проводимость кристаллов германия определяется также их микроструктурой и зависит от размера кристаллитов. На рисунке 2 приведены графики зависимости удельной электрической проводимости от их среднего размера при температуре 200 К, соответствующей области истощения примесей. Установлено, что о оптического германия увеличивается от 3,5х10-2 до 7,5х10-2 Ом-1см-1 при возрастании размера кристаллитов от 3,5 до 8,0 мм, что связано с уменьшением подвижности носителей заряда, вызванным рассеянием на ограничивающих кристаллиты поверхностях, как одного из видов структурных несовершенств. Очевидно, что с возрастанием размера кристаллитов уменьшается удельная поверхность их границ – фактора рассеяния носителей.

1 – ОЧГ, 2 – ГПО

Рис. 2. Зависимость удельной электрической проводимости от размера зерен

Противоположную картину наблюдали при исследовании кристаллов ОЧГ, их удельная электропроводность уменьшалась от 6,3x10 -3 до 0,5x10 -3 Ом^-1см^-1 в интервале среднего размера кристаллитов от 0,5 до 10 мм. При переходе от поликристаллического к монокристаллическому строению для одного и того же материала о понижается до 0,1x10 -3 Ом^-1см^-1.

Выявленная закономерность изменения электропроводности ОЧГ объясняется наличием в полупроводниках поверхностных электронных состояний, обусловленных обрывом кристаллической решетки и нарушением периодичности потенциала. В 1932 г. Тамм, рассматривая простейшую одномерную модель полубесконечного кристалла как последовательность потенциальных барьеров, ограниченную потенциальной «стенкой», пришёл к выводу о возможности существования поверхностных состояний (ПС), концентрация которых на идеальной поверхности должна быть равна поверхностной концентрации атомов в кристалле, т.е. ~10¹⁵ см^-2 [5]. Позднее в работе [6] экспериментально была установлена концентрация ПС в германии, которая составила 10¹¹ см^-2. Соответственно этому при концентрации свободных носителей заряда в оптическом Ge ~10¹⁵ см^-3 нейтрализация поверхностного заряда происходит на протяжении нескольких постоянных решетки, составляющем 10 4 ^10 ⁵ см. Совершенно иначе дело обстоит с ОЧГ, где концентрации носителей и ПС соизмеримы, и по этой причине область поверхностного потенциала проникает глубоко в объем кристалла. При этом рассеянием носителей заряда на границах блоков и уменьшением их подвижности, в отличие от оптического германия, можно пренебречь. Такое допущение справедливо, если длина свободного пробега носителей 1_сп значительно меньше глубины области пространственного заряда L. В германии l_сп составляет ~10^-5 см [8]. Таким образом, условие L»1_с п в ОЧГ выполняется, в то время как в оптическом германии L и l_сп соизмеримы и наблюдается зависимость подвижности от строения исследуемого образца.

Заключение

На основании проведенных исследований можно заключить, что характер зависимости электропроводности германия от размера кристаллитов определяется концентрацией содержащихся в нем примесей. Удельная электрическая проводимость особо чистого германия уменьшается с увеличением среднего размера кристаллитов, что необходимо учитывать при контроле содержания в нем примесей по данным электрических измерений.