半導体中の衝突電離過程に基づくカオス発生機構の研究

単結晶半導体中のドナー不純物に低温において束縛されている電子は外部から印加された電圧により伝導電子の衝突を受け束縛状態から励起される。敷居電圧においてこれが雪崩的に起こり大きな伝導度の変化を生じる。この良く知られた衝突電離過程は比較的低電圧のもとで電流-電圧特性に負性抵抗領域を生じる。この領域ではドナー電子の生成-消滅機構により振動を示しカオス的な振舞いを示す。このことはこれ迄に青木等により精力的に研究されてきた。我々は高純度多結晶InPにおいて電流-電圧特性に自発振動を観測し電圧とともにカオス的な振舞いを示すことを見いだした。しかしながらこのカオス的振舞いが多結晶固有のものなのか上に述べた単結晶半導体と同一の機構によるものかは明かではなかった。そこで最初にこのカオス的振舞いを生じる非線形抵抗の原因を探るため伝導電子の密度,状態分布を磁場中でのフォトルミネッセンスと電流-電圧特性測定により調べた。結果次の様なことが分かった。1)電子分布を反映する電子温度の電圧依存性は単結晶試料とは異なり特徴的な2個のTAフォノン散乱による電子温度上昇の抑制がみられない。2)これは多結晶試料においては結晶性の悪い粒界領域に電圧が印加されるためと考えられる。この領域の幅は一般に10nm程度でありこの領域内ではフォノンの長波長成分は存在出来ないために電子-フォノン散乱が単結晶領域とは異なる。また電流-電圧特性測定からは用いた試料の粒界の障壁の高さが10meVと小さくドナーの束縛エネルギーと同程度であることが分かりこの試料の特殊性がうかがえた。以上より多結晶InPでは単結晶試料と異なり粒界領域が電流-電圧特性測定に大きな影響を及ぼしていることが分かった。

単結晶半導体中のドナー不純物に低温において束縛されている電子は外部から印加された電圧により伝導電子の衝突を受け束縛状態から励起される。敷居電圧においてこれが雪崩的に起こり大きな伝導度の変化を生じる。この良く知られた衝突電離過程は比較的低電圧のもとで電流-電圧特性に負性抵抗領域を生じる。この領域ではドナー電子の生成-消滅機構により振動を示しカオス的な振舞いを示す。このことはこれ迄に青木等により精力的に研究されてきた。我々は高純度多結晶InPにおいて電流-電圧特性に自発振動を観測し電圧とともにカオス的な振舞いを示すことを見いだした。しかしながらこのカオス的振舞いが多結晶固有のものなのか上に述べた単結晶半導体と同一の機構によるものかは明かではなかった。そこで最初にこのカオス的振舞いを生じる非線形抵抗の原因を探るため伝導電子の密度,状態分布を磁場中でのフォトルミネッセンスと電流-電圧特性測定により調べた。結果次の様なことが分かった。1)電子分布を反映する電子温度の電圧依存性は単結晶試料とは異なり特徴的な2個のTAフォノン散乱による電子温度上昇の抑制がみられない。2)これは多結晶試料においては結晶性の悪い粒界領域に電圧が印加されるためと考えられる。この領域の幅は一般に10nm程度でありこの領域内ではフォノンの長波長成分は存在出来ないために電子-フォノン散乱が単結晶領域とは異なる。また電流-電圧特性測定からは用いた試料の粒界の障壁の高さが10meVと小さくドナーの束縛エネルギーと同程度であることが分かりこの試料の特殊性がうかがえた。以上より多結晶InPでは単結晶試料と異なり粒界領域が電流-電圧特性測定に大きな影響を及ぼしていることが分かった。