В условиях сильной компенсации в кремнии концентрация равновесных носителей тока становится в сотни тысячи или миллионы раз меньше, чем концентрация ионизированных примесных атомов в кристаллической решётке, что имеет место при Т=300 К, а с понижением температуры эта разница ещё более увеличивается [1–3]. В этом случае не только нарушаются локальные электронейтральности в решетке и потенциал окружающего примесного атома, но и существенно меняется дефектная структура самой кристаллической решётки. С другой стороны в условиях сильной компенсации система находится в крайне неравновесном состоянии. Воздействие малейших внешних факторов (температуры, давления, освещённости, электрического и магнитного поля) меняет не только электронную структуру дефектов кристаллической решётки, но и существенно изменяет условия взаимодействия дефектов и носителей тока.

Нами получены некоторые новые экспериментальные результаты, связанные с поведением примесных атомов марганца в кремнии в условиях сильной компенсации, природа которых до конца ещё не ясна. В данной работе с целью выяснения механизма совершения этих явлений исследовано температурной зависимости Холловской подвижности носителей тока и влияние степени компенсации на магнитосопротивление сильнокомпенсированного кремния легированного марганцем. В качестве объекта исследования был выбран Si<B> компенсированный марганцем. Такой выбор материала и компенсирующих примесей продиктован тем, что технология получения компенсированного кремния, легированного марганцем, достаточно хорошо отработана [4], что и позволило получить материал с различной степенью компенсации и воспроизводимыми и стабильными параметрами, а также обеспечило получение достоверных результатов.

Для исследования в качестве исходного материала был использован монокристаллический кремний р-типа с удельным сопротивлением =1 Ом∙см. Диффузия марганца проводилась из газовой фазы, при этом в каждую ампулу было помешено по десять образцов исходного материала с одинаковыми геометрическими размерами, для обеспечения одинаковых условий легирования и скорости охлаждения. После диффузии марганца из газовой фазы было получено достаточное количество сильнокомпенсированных образцов Si<B,Mn> с удельным сопротивлением =10²÷10⁵ Ом∙см, р и n — типа проводимости.

Результаты исследования показали, что величина и характер температурной зависимости Холловской подвижности носителей заряда существенно различается в зависимости от удельного сопротивления  образцов р-Si<BMn> (рис.1).



Рис.1. Зависимость подвижности носителей тока от температуры для образцов; 1. Контрольный образцы без марганца с =10⁴ Ом·см. Образцы Si<В,Mn> 2. =1.5·10² Ом·см; 3. =2·10³ Ом·см; 4. =6·10⁴ Ом·см; 5. =1.2·10⁵ Ом·см. При освещении образцов =1.2·10⁵ Ом·см с интегральным светом. 6. I=0.8 Лк; 7. I=1.6 Лк.

В контрольных образцах (не компенсированных с 10⁴ Ом∙см) зависимости подвижности от температуры  (Т) имеют обычный вид и в исследуемой области температур меняется по закону Т^-3/2 (рис.1, кривая-1). В то же время в компенсированных образцах Si<B,Mn> с 10² Ом∙см, увеличение температуры приводит к более резкому уменьшению подвижности носителей тока, чем в контрольных образцах (кривая 2). С ростом удельного сопротивления образцов, существенно изменяется характер зависимости  (Т) подвижности от температуры (кривые 3–5). В этом случае, с ростом температуры значения подвижности растет и при температуре Т=Т_М достигает своего максимального значения, затем резко уменьшается до минимума при некоторой температуре Т=Т_m, дальнейший рост температуры снова приводит к увеличению подвижности носителей заряда. С ростом удельного сопротивления образцов значения Т_М и Т_m смещаются в сторону высоких температур. Следует отметить, что при освещении образцов интегральным светом аномальное поведение (Т) в компенсированных образцах Si<B,Mn> выявляется более чётко. При этом с увеличением интенсивности освещённости положения Т_М и Т_m смещаются в область низких температур и наблюдается появление второго минимума при Т=Т_M2 (кривые 6,7). Температурный ход подвижности в p-Si<B,Mn> с различным удельным сопротивлением невозможно объяснить ростом концентрации ионов примесей марганца, так как в образцах р-Si<B,Mn> с  = 2·10² Ом∙см и =10⁵ Ом∙см, концентрация ионов марганца практически одинакова и отличается не более чем на 1 % и составляет N_Mn=2·10¹⁶ см^-3.

На рис.2 представлены относительные изменения удельных сопротивлений этих же образцов при наличии магнитного поля. Как видно из рисунка, в образцах n-Si<B,Mn> (т.е перекомпенсированных образцов) не зависимо от удельного сопротивления, всегда наблюдается небольшое положительное магнитосопротивление (ПМС), что также имеет место в контрольных не компенсированных материалах. В образцах p-Si<B,Mn> с 10² Ом∙см наблюдается небольшое ПМС, с ростом удельного сопротивления значение ПМС уменьшается и начиная с 5·10² Ом∙см имеет место отрицательное магнитосопротивление (ОМС). Значение ОМС растет с ростом удельного сопротивления образцов и достигает максимума для р-Si<B,Mn> c (3–4)·10³ Ом∙см, а дальнейшее увеличение удельного сопротивления приводит к уменьшению значения ОМС. Начиная с   2·10⁴ Ом∙см опять наблюдается ПМС. Таким образом в р-SI<B,Mn> c изменением удельного сопротивления не только можно варьировать значениями, но и знаком магнитосопротивления. Следует отметить, что освещение образцов интегральным светом существенно увеличивает значения ОМС в р-Si<B,Mn> (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость магнитосопротивления от степени компенсации в сильнокомпенсированных образцах Si<В,Mn>.

Эти полученные экспериментальные данные позволяют сделать вывод о том, что примесные атомы марганца в кристаллической решетке кремния, в зависимости от степени компенсации материала или при изменении внешних факторов, имеют различные состояния Mn⁰, Mn⁺, (MnB)⁰, (MnB)⁺, (Mn)₂^+(1–4), (Mn)₄^+(1–8) и происходят непрерывные реакции между этими состояниями. В определённых условиях некоторые из этих центров будут более активно проявляться, а их концентрация в основном будет определяться степенью компенсации материала и концентрации бора исходного образца, а также условиями эксперимента. Даже при одинаковых условиях эксперимента свойства материала с различной компенсацией могут существенно отличаться. Поэтому свойства сильнокомпенсированного кремния нельзя объяснить определённым состоянием примесных атомов в кристаллической решётке без учёта степени компенсации материала и других факторов.

Литература:

1. Bakhodirkhanov M.K, Zikrillaev N.F, Sadullaev A. B. Anomalli deep inferared quenching of photoconductivity in strongly compensated semiconductor. 5 th International Symposium on Advanced Materials, 25.09.1997. Pakistan.
2. Лебедев А.А, Абдурахманов К.П, Куликов Г.С, Утамурадова Ш.Б Исследование поведения примесей марганца и никеля при диффузионном легировании кремния. ФТП том. 25, вып. 6, 1991 г. стр. 1075–1077.
3. Zikrillaev N.F, Sadullaev A. B. Power spectra of impurity in semiconductors in the condition of strong compensation. SSP-2004. 8-th International Conference SOLED STATE PHYSICS, August 23–26, 2004, Almaty, Kazakhstan Abstracts Almaty-2004, pp-254–255.
4. Больтакс Б.И, Бахадирханов М. К. Компенсированный кремний. Л. Наука 1972 г.