铜和银在锗单晶中的电学行为研究

摘要

锗是一种重要的半导体材料。随着它在半导体领域的地位逐渐恢复，锗的研究再次成为热门。与硅一样，锗基材料在清洗、加工、使用过程中较容易受到过渡族金属的玷污。为减小或避免金属杂质玷污造成的破坏，必须研究过渡族金属在锗单晶中的电学行为。
　　 论文在系统阐述锗基材料的应用、过渡族金属在锗中的电学行为研究现状的基础上，提出了经快速热处理后铜和银在锗单晶中的电学行为这个还未被研究的课题。首先比较了经常规热处理和快速热处理后铜玷污锗片的电阻率，并通过XRD和FTIR分析其原因。然后研究了经不同气氛、温度、时间快速热处理后，铜对锗片的导电型号、电阻率和少子寿命的影响，并通过测量锗片的扩展电阻结合相关理论分析铜在锗中的存在形式。最后研究了经不同温度和时间快速热处理后，银对锗片的导电型号、电阻率和少子寿命的影响，通过测量锗片的扩展电阻结合相关理论分析银在锗中的存在形式。论文填补了快速热处理对锗中过渡族金属影响的研究空白，为进一步研究其他金属在锗中的电学行为提供了借鉴方法。
　　 实验表明，不管是在常规热处理还是快速热处理条件下，当热处理温度较低时，铜从表面扩散进入锗内部的速率较慢，锗表面生成了Cu3Ge。当热处理温度大于或等于800℃时，铜快速扩散入锗中，主要以受主态固溶，且在室温下稳定存在。铜在快速热处理条件下的扩散速率远大于其在常规热处理条件下的扩散速率。
　　 快速热处理过程中，铜玷污锗片的电阻率随热处理温度的升高先上升后下降，随热处理时间的延长先上升后下降。当RTP温度和时间足够时，样品的导电型号由N型转变为P型。分析表明这是由铜扩散并以单受主态固溶在锗中引起的，RTP温度和时间对铜扩散有较大的影响，受主铜在锗中的浓度随RTP温度的升高和时间的延长而增大。铜在锗中的沉淀时间常数随起始替代位铜浓度的减小而减小，因此在快速热处理过程中，铜较难形成沉淀。此外，锗的少子寿命随RTP时间的延长先下降后保持稳定，分析表明这种现象不是由铜沉淀引起的，可能是由双受主铜引起的，双受主铜的浓度在RTP时间超过30秒后保持恒定。
　　 银在锗中的电学行为与铜相似，但是经相同条件RTP后，银在锗中的浓度远小于铜在锗中的浓度。银从锗表面扩散入锗中的过程符合扩散原理，同时还符合分离机理。银扩散同样使锗的少子寿命减小。当银浓度较低时，双受主态的银与单受主态的银的浓度比恒定。当银浓度较大时，双受主态银的比例增加。