Электрические свойства высшего силицида хрома

Полупроводниковая природа высшего силицида хрома была выяснена в 1957 г. С тех пор его электрические свойства изучались во многих работах, количественные результаты которых сильно отличаются друг от друга. Особенно это относится к значениям электропроводности CrSi2.

Сопоставляя данные, полученные разными авторами, нетрудно прийти к выводу о сильном влиянии чистоты исходных материалов, соотношения между основными компонентами и технологии приготовления образцов на экспериментально измеряемые значения электропроводности дисилицида.

Подробное физико-химическое исследование препаратов высшего силицида хрома разного состава было проведено в работах Воронова и соавторов. Они показали, что монокристаллы высшего силицида, получаемые из расплава методом Чохральского, заметно обогащены хромом (в сравнении с составом стехиометрического дисилицида), и соотношение между основными компонентами в них может быть описано формулой CrSi1,95. При этом плотность неотожженного монокристалла указывает на замещение части атомов кремния атомами хрома. Электропроводность таких монокристаллов намного превосходит электропроводность образцов, полученных другими методами, и обнаруживает большую анизотропию (см. табл. 39): в направлении гексагональной оси о оказывается заметно больше, чем в перпендикулярном направлении. Растирание монокристаллов в порошок с последующим горячим прессованием (1380° С, графитовая прессформа) сохраняет высокий уровень электропроводности (-3000 ом-1*см-1), которая, однако, сильно снижается (до 1700—1900 ом-1*см-1) после 100-ч отжига при 1250° С. Характерно, что плотность монокристаллического образца состава CrSi1,95 также заметно снижается после отжига, указывая, по мнению авторов, на образование вакансий в решетке высшего силицида. Еще более низкие значения электропроводности получаются на образцах, изготовленных горячим прессованием порошков, полученных из поликристаллических слитков. При этом авторам удалось проследить за влиянием содержания кремния в пределах области однофазного существования высшего силицида хрома на его электрофизические свойства. В частности, оказывается, что минимальной электропроводностью (600—660 ом-1*см-1) обладают образцы, состав которых описывается формулой CrSi2.

К этим значениям электропроводности примыкают данные других авторов, изучавших препараты, полученные методами порошковой металлургии. Заметно меньшие электропроводности найдены на литых образцах, что, возможно, связано с образованием микротрещин при их охлаждении.

Сопоставление результатов исследований, выполненных разными авторами, существенно затрудняется различной чистотой исходных материалов, хотя в работах последних лет использован электролитический рафинированный хром высокой чистоты (менее 0,03% примесей) и полупроводниковый кремний. Наиболее чистые исходные материалы использованы Ta-мио и Тадао (99,99% Cr, 99,9% Si) и Шинодой с соавторами (99,99% Cr, Si — 100 ом*см). Последние указывают на монокристалличность однофазного препарата, выращенного из расплава, содержащего 66,7% (ат.) Si, и приписывают ему формулу CrSi2.

Зависимость электросопротивления от температуры, по данным всех исследователей, носит экстремальный характер. Повышение температуры от 80° К ведет к монотонно ускоряющемуся росту электросопротивления, которое достигает максимума вблизи 500° К. Дальнейшее повышение температуры сопровождается полупроводниковой зависимостью р(T). При этом параметр Eр, соответствующий энергии активации носителей, при высоких температурах, по данным разных авторов, лежит в пределах от 0,2 до 1,3 эв. В некоторых работах указывается на наличие двух линейных участков в зависимости lnр~Т-1, однако авторы последующих работ приводят лишь одно значение: 0,27 эв, 0,35 эв, 0,74 эв, 0,5 эв.

Коэффициент т. э. д. с. для CrSi2 положителен и велик. Его значения для комнатной температуры, по данным разных авторов, колеблются в пределах от 80 до 200 мкв/град (см. табл. 39), и, по-видимому, характеризуются заметной анизотропией.

Повышение температуры от 80° К ведет к росту коэффициента т. э. д. с., который примерно при 600° К достигает максимального значения (200 мкв/град), а при дальнейшем повышении температуры уменьшается (рис. 148). Радовский и соавторы приводят данные о температурных зависимостях (20—350° С) коэффициента т. э. д. с. для нескольких однофазных сплавов, приготовленных из материалов высокой чистоты, по области гомогенности высшего силицида хрома. Изотерма a(%Si) имеет четкую особую точку вблизи 66,7% (ат.) Si (рис. 149).

Вопреки, по данным работ, а при комнатной температуре слабо зависит от концентрации кремния (в пределах области гомогенности высшего силицида хрома). Однако в этих работах наблюдаемое значение а оказывается заметно мёньше, чем у других авторов, работавших с не менее чистыми исходными материалами.

Коэффициент Холла (Rx) для CrSi2, так же как и а положителен во всей температурной области исследований (80—1000°К). Он практически не меняется при повышении температуры от 80 до 500° К, но быстро убывает при дальнейшем нагревании свыше 600° К. Наклон линейного участка In(RxT3/2)=Т-1 при высоких температурах соответствует Еx = 0,35 эв.

Электрические свойства пленок, близких по составу к CrSi2, оказываются существенно зависящими от их структуры.

Среди обилия разноречивых результатов, полученных при изучении электрических характеристик дисилицида хрома, трудно выделить наиболее достоверные. По-видимому, в настоящее время можно ориентироваться на данные, имея в виду необходимость новых исследований, которые пролили бы свет на основные причины различий между полученными данными.