Электрофизические и фотоэлектрические свойства компенсированных образцов, полученных с участием атомов цинка в монокристаллическом кремнии



В данной работе мы рассмотрим получение образцов с высоким удельным сопротивлением n-типа и p-типа путем введения элемента Zn в качестве вводного атома в образец монокристаллического полупроводника Si n-типа методом диффузии. Атомы цинка вводились в кристаллическую решетку кремния методом диффузии, а его электрофизические параметры изучались с помощью эффекта Холла. Чувствительность образцов SiZn к ИК-излучению выше, чем у легированных образцов при низкой температуре. Таким способом можно получить новый материал с высоким удельным сопротивлением (2,3*102–1,85*103 Ом*см) и высокой фотопроводимостью с помощью атомов цинка, легированных кремнием.

Ключевые слова: кремний, цинк, диффузия, легирование, введение, компенсация.

Введение

Автоколебания — явление, при котором образец продолжает периодически перемещаться при приложении к нему непериодического внешнего воздействия. Мы можем привести несколько примеров этого из окружающей нас среды, например, биение сердца, морские волны и дрожание листьев. Образцы способны генерировать спонтанные колебания под воздействием различных форм энергии, таких как тепло, свет и электрические поля, что имеет большой потенциал для применения в производстве электроэнергии, предоставляет возможность в автономном массовом транспорте, твердотельных генераторов и самоходных микроробототехник. Однако большинство автоколебаний основано на изгибной деформации, что ограничивает их возможности для практического применения [1–4]. Но автоколебания твердых тел, особенно полупроводников, не имеют такого недостатка, и возможности их практического применения не ограничены.

Автоколебания тока, возникающие в полупроводниковых материалах при определенных термодинамических условиях, имеют большое научное и практическое значение. Авторы исследовали автоколебания тока на основе различных полупроводниковых материалов, природа которых зависит от разных механизмов [5–8].

Результаты комплексных и систематических исследований автоколебаний тока, генерируемого в кремнии, компенсированного атомами примесей (марганца, цинка, селена, серы), показали, что путем управления термодинамическими условиями автоколебаний (напряженностью электрического поля, освещенностью, температурой и др.), механизмом одного образца можно будет создавать разные автоколебания. Судя по анализу научной литературы, автоколебания различной природы и механизмов, параметров и условий возникновения до сих пор ни в одном материале не наблюдаются. Поэтому большой фундаментальный и практический интерес представляет определение процессов перехода различных автоколебаний из одного типа в другой и предельных значений наблюдения каждого типа автоколебаний в компенсированном кремнии. Если c теоретической точки зрения механизм автоколебательных процессов имеет большое значение в физике полупроводников, то с практической стороны на основе автоколебаний в кремнии в настоящее время создаются совершенно новые твердотельные генераторы и многофункциональные датчики, которые имеют амплитудно-частотный выходной сигнал с внешней чувствительностью [9–10]. Поэтому формирование автоколебаний в кремнии существенно зависит от относительного сопротивления образца, т. е. от компенсированной выборки.

Результаты эксперимента

В данной работе мы рассматриваем получение образцов с высоким удельным сопротивлением n-типа и p-типа путем введения элемента Zn в качестве вводного атома в образец монокристаллического полупроводника Si n-типа методом диффузии.

Для испытания в качестве исходного материала был выбран Si n-типа Si ( ,

), а в качестве входного — элемент цинка (II группы). Известно, что элемент цинк образует в кремнии 2 акцепторных энергетических уровня (E _v =0,55, E _v =0,26) [11]. Таким образом, элемент Zn проявляется в 3 различных состояниях кристаллической решетки Si: 1–Zn ⁰ — нейтральный цинковый атом; 2-Zn ^-1 цинковый атом в виде отрицательно заряженного иона, получив один электрон; 3-Zn ^-2 цинковый атом в виде дважды отрицательно заряженного иона принявший 2 электрона.

Соответственно, теоретически один атом Zn акцептирует лишние электроны, не участвующие в ковалентной связи двух атомов Р, и заполняет незаполненные ковалентные связи (рис. 1).

Рис. 1. Схематическое изображение кристаллической решетки кремния, легированной атомами цинка

Полученные результаты показали, что количество (концентрация) носителей заряда (лишних электронов атома фосфора, не участвовавших в ковалентной связи), присутствующих в объеме кремния, уменьшается в результате заполнения незаполненных ковалентных связей входных атомов Zn, и в результате сопротивление образца увеличивается. При этом важными факторами внедрения атомов Zn в кристалл кремния являются температура и время диффузии. Из результатов экспериментов известно, что при длительном легировании атомов цинка кремниевым материалом увеличивается его удельное сопротивление и чувствительность к внешнему воздействию (свету) [12].

Выбирается высокая температура Т=1150°С-1200°С для легирования входных атомов цинка (Zn) в кристаллическую решетку кремния. Причина этого в том, что электрофизические свойства атомов Zn, введенных в кремний с высокой скоростью, мало изучены. Атомы цинка вводились в кристаллическую решетку кремния методом диффузии, а его электрофизические параметры исследовались с помощью эффекта Холла (табл. 1).

Таблица 1

T, t	ρ (Ω*см)	n (см¯³)	μ (см²/vs)	(мA)	(мA)
1200 C 30-мин	227,9	2.2*10 14	124.315	0,021	0,0934
1185 C 30-мин	1858	2.6*10 13	129.174	0,0214	0,0918
1175 C 30-мин	953,5	3.3*10 13	198.238	0.0221	0.0551
1150 C 30-мин	536,271	5.8*10 13	199.54	0,0541	0,0780

Полученные результаты показывают, что хотя удельное сопротивление образцов SiZn, легированных при высокой температуре, близко к удельному сопротивлению образцов SiZn, легированных при низкой температуре, их чувствительность к свету значительно выше. Спектральную зависимость фотопроводимости изучали на спектрометре ИКС-21, оснащенном специальным криостатом, позволяющим охлаждать полученные в ходе эксперимента образцы SiZn до азотной температуры (рис. 2).

Рис. 2. Спектральный график фотопроводимости образцов SiZn (Т=77К)

Заключение

На основании полученных результатов показано, что фоточувствительность образцов SiZn, полученных в процессе диффузии при высокой температуре, увеличивается при вплавлении атомов цинка в кристаллическую решетку кремния, то есть чувствительность образцов SiZn к ИК-излучению выше, чем у легированных при низкой температуре. Таким способом можно получить новый материал с высоким удельным сопротивлением (2,3*102–1,85*103 Ом*см) и высокой фотопроводимостью с помощью атомов цинка, легированных кремнием. И на их основе можно будет создавать различные датчики и оптические устройства для области электроники и оптоэлектроники.

Литература:

1. Hao Zeng, Markus Lahikainen, Li Liu, Zafar Ahmed, Owies M. Wani, Meng Wang Hong Yang & Arri Priimagi Light-fuelled freestyle self-oscillators Nature communications (2019) 10:5057 https://doi.org/10.1038/s41467–019–13077–6
2. M. K. Bakhadirkhanov, N. F. Zikrillaev, K. S. Ayupov, D. T. Bobonov, F. A. Kadirova, and N. Il’khomzhonov Spectral Range of Current Self-Oscillation in Manganese-Doped Silicon Technical Physics, 2006, Vol. 51, No. 9, pp. 1235–1236
3. N. F. Zikrillaev, G. A. Kushiev, Sh.I.Hamrokulov, Y. A. Abduganiev “Optical Properties of Ge _x Si _1-x binary compounds in silicon” Journal of nano- and electronic physics, Vol. 15, No. 3, pp. 03024–1–03024–4, 2023.
4. X. M. Iliyev, S. B. Isamov, B. O. Isakov, U. X. Qurbonova, and S. A. Abduraxmonov, “A surface study of Si doped simultaneously with Ga and Sb,” East Eur. J. Phys. 3, 303, 2023.
5. Iliyev, X., Xudoynazarov, Z., Isakov, B., Uralbayev, X. and Kushiev, G., 2023. Impurity of atoms of manganese diffusion by outside electric field into silicon. Science and innovation, 2(A8), pp.107–111
6. B Isakov, Z Xudoynazarov, G Kushiev, A Sattorov, F Abduqahhorov, 2023. Thermodynamic conditions for the formation of gasb binary compound in si sample. Science and innovation, 2(A10), pp.29–34.
7. N. F. Zikrillaev, G. A. Kushiev, S. V. Koveshnikov, B. A. Abdurakhmanov, U.Kh.Kurbanova, and A. A. Sattorov, “Current status of silicon studies with Ge _x Si _1-x binary compounds and possibilities of their applications in electronics” East European journal of physics, No. 3, pp. 334–339, 2023.
8. S Hamrokulov, G Kushiev, B Isakov, Z Umarkhodjaeva DIGITAL MICROSCOPE Analysis of chemically cleaned silicon surface Science and innovation, 2023. Т.2 № 5 Pp.138–142
9. N. F. Zikrillaev, O. B. Tursunov, G. A. Kushiev. “Development and Creation of a New Class of Graded-Gap Structures Based on Silicon with the Participation of Zn and Se Atoms”. ISSN 1068–3755, Surface Engineering and Applied Electrochemistry, Vol. 59, No. 5, pp. 670–673. © Allerton Press, Inc., 2023
10. Isakov, B., Hamrokulov, S., Abdurakhmonov, S. and Abdurakhmonov, H., 2023. Doped silicon with gallium and antimum impurity atoms. Science and innovation, 2(A5), pp.255–261.
11. Zikrillaev, N. F., Kushiev, G. A., Hamrokulov, S. I., & Abduganiev, Y. A. //Optical Properties of Ge _x Si _1-x Binary Compounds in Silicon. Journal of Nano-and Electronic Physics, 15(3). (2023) DOI: 10.21272/jnep.15(3).03024.
12. Iliyev, X.M., Isamov, S.B., Isakov, B.O., Qurbonova, U.X. and Abduraxmonov, S.A., 2023. A Surface Study of Si Doped Simultaneously with Ga and Sb. East European Journal of Physics, (3), pp.303–307.
13. Zikrillaev N. F., Tursunov O. B., Kushiev G. A. Development and Creation of a New Class of Graded-Gap Structures Based on Silicon with the Participation of Zn and Se Atoms //Surface Engineering and Applied Electrochemistry. — 2023. — Т. 59. — №. 5. — С. 670–673.
14. B Isakov, Z Xudoynazarov, G Kushiev, A Sattorov, F Abduqahhorov, 2023. Thermodynamic conditions for the formation of GaSb binary compound in Si sample. Science and innovation, 2(A10), pp.29–34