6
11
12
16
20
22
23
23
30
31
32
39
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Состояние вопроса по исследованию низкочастотных шумов в полупроводниковых светоизлучающих структурах Понятие низкочастотного (фликкерного) шума вида Щ
Статистические характеристики низкочастотного шума вида 1Д Диагностические свойства низкочастотного шума Физическая природа низкочастотного шума
Представления о равновесном происхождении фликкерных флуктуаций Представления о неравновесном происхождении фликкерных флуктуаций Низкочастотные флуктуации в полупроводниковых светоизлучающих структурах
Поверхностный механизмы генерации НЧ шумов в полупроводиковых светоизлучающих структурах Генерационно - рекомбинационная природа низкочастотных шумов Флуктуации подвижности носителей зарядов как источник 1Д шума полупроводниковых диодов
41
42
44
45
48
49
50
56
60
61
62
3
Формирование современных тенденций и представлений о механизмах генерации низкочастотных колебаний в полупроводниковых светоизлучающих структурах Выводы
Модель генерации низкочастотного шума в полупроводниковых структурах Экспериментальные данные, свидетельствующие о существовании механизма НЧ шума, обусловленного множественностью его источников Основные положения многоисточниковой модели Одновременное существование в полупроводниковых материалах и структурах нескольких источников фликкерных флуктуаций Механизм дефектообразования, обусловленный воздействием горячих электронов Механизм подпорогового дефектообразования и массопереноса как источник избыточного низкочастотного шума в полупроводниковых светоизлучающих структурах Выводы
Методики экспериментов и аппаратура
для исследования низкочастотных флуктуаций
Измерение распределения
эффективной концентрации заряженных
центров в полупроводниковых структурах
3.2
3.3
3.4
3.5
Глава IV
4.1
4.2
4.3
4.4
Установка для комплексного измерения собственных электрических и фотонных шумов светоизлучающих полупроводниковых структур 71
Методика определения параметров низкочастотного фликкер-шума с использованием относительно более высокочастотной усилительной аппаратуры 82
Точность и репрезентативность измерений 87
Выводы 89
Исследование шумовых, электрофизических и фотоэлектрических характеристик полупроводниковых светодидов при внешних воздействиях и длительной наработке 91
Изменение параметров шума светоизлучающих полупроводниковых структур при длительном протекании прямого тока 91
Исследование влияния распределения эффективной концентрации
заряженных центров на шумовую картину 98
Пространственная локализация фотонной электролюминесценции полупроводниковых светоизлучающих диодов при обратном смещении 103
Исследование сверхбыстрой деградации фотоэлектрических параметров
полупроводниковых светоизлучающих диодов 108
4.5 Изучение возможности отбраковки кремниевых фотоприемников с
использованием радиационной технологии 119
и шумовой спектроскопии
4.6 Исследование многоисточникового механизма
генерации избыточного низкочастотного шума
в полупроводниковых структурах 122
4.7 Использование низкочастотных шумов для
диагностики состояния биологических систем 125
4.8 Выводы 128
Заключение 130
Список использованной литературы 132
Приложение 139
6
ВВЕДЕНИЕ
Физическая природа и механизмы генерации электрических низкочастотных (НЧ) шумов в электронных системах интенсивно исследуются на протяжении последних десятилетий. Одной из основных причин этого является возможность использования результатов шумовых измерений для изучения деградационных процессов в полупроводниковых структурах и диагностики качества полупроводниковых приборов.
В реальных приборных структурах всегда имеются естественные источники электрических шумов. В некоторых случаях эти шумы существенно ограничивают рабочие параметры приборов на низких частотах, в частности - мешают приблизиться к фундаментальному пределу чувствительности измерений, в то время как в высокочастотной области этот предел практически достигнут. Основную роль здесь играет избыточный, так называемый «фликкерный» НЧ шум. Его характерной особенностью является возрастание спектральной плотности флуктуаций на низких частотах по закону 8 (0 ~ 1/(Г), где 1 - частота, у — коэффициент, принимающий значения близкие к единице. При этом нижний частотный предел возрастания плотности не ограничен и определяется лишь длительностью измерений. Это свойство до настоящего времени не нашло фундаментального объяснения. В большинстве полупроводниковых приборов фликкер-шум становится доминирующим на частотах ниже 100-1000 Гц. Будучи параметрическим, он имеет свойство модулировать более высокочастотные сигналы и переноситься в окрестности рабочих частот практически всех радиоэлектронных устройств.
Эксперименты показывают, что все процессы, связанные с деградацией или термодинамическим неравновесием систем, сопро-
вождаются появлением или заметным повышением уровня их собственных низкочастотных шумов, что используется для неразрушающего контроля изделий электронной техники и в исследовательских целях. Не составляют исключения и полупроводниковые светоизлучающие структуры. Деградационные процессы в них, особенно при больших уровнях тока и (или) времени наработки, протекают достаточно интенсивно, оказывая определяющее влияние на параметры низкочастотных шумовых флуктуаций. В связи с тем, что излучение в таких структурах формируется на относительно узком участке ОПЗ р-п перехода, многие традиционные методы исследования полупроводниковых приборов могут быть малоэффективными. В то же время, экспериментальные данные свидетельствуют о достаточно высокой чувствительности методов шумовой спектроскопии по отношению к изменениям электрофизических параметров активных областей.
С этих точек зрения особенно актуально проведение комплексных исследований деградационных процессов в полупроводниковых светоизлучающих приборах с использованием методов шумовой спектроскопии, а также изучение процессов формирования низкочастотных фликкер - шумов.
Целью настоящей работы является выявление связи физических процессов деградации в полупроводниковых светодиодных структурах с параметрами их собственных низкочастотных электрических шумов.
Для достижения указанной цели были сформулированы и поставлены следующие задачи:
8
1. На основе исследования низкочастотных флуктуаций в полупроводниковых светодиодных структурах (СДС) установить закономерности изменения параметров шумов в процессе деградации СДС при длительной работе, а также в результате внешних воздействий.
2.Разработать модель генерации шума в исследованных структурах исходя из доминирующих механизмов изменения их параметров и характеристик в процессе деградации.
3.Разработать методы и аппаратуру для исследования параметров электрических и фотонных низкочастотных шумов при деградации СДС.
4.Разработать рекомендации по использованию измерений низкочастотных шумов с целью прогнозирования стабильности и надежности работы светодиодных и других полупроводниковых структур.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Предложена модель генерации низкочастотного шума и механизм изменения его параметров в процессе длительной работы полупроводниковых светоизлучающих структур в различных электрических и тепловых режимах в предположении доминирующего влияния термодинамически неравновесных процессов.
2. Выявлены специфические параметры НЧ шума, обусловленные процессами массопереноса и дефектообразования, связанного с подпороговым смещением атомов при протекании прямого и обратного тока через р-п переход светоизлучающих структур.
3. Установлен механизм и выявлена пространственная локализация фотонной электролюминесценции в полупроводниковых светоизлучающих структурах при обратном смещении.
9
4. Разработан метод анализа низкочастотных шумов вида Щ с применением относительно более высокочастотной измерительной аппаратуры.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
1. Разработаны качественные диагностические критерии оценки текущего состояния и прогнозирования стабильности параметров полупроводниковых структур по результатам измерений низкочастотного шума.
2. Разработан метод и изготовлен аппаратно-программный комплекс для исследований собственных токовых и фотонных низкочастотных шумов полупроводниковых светоизлучающих структур.
3. Разработаны рекомендации по снижению интенсивности де-градационных процессов и уровня связанных с ними НЧ шумов в ходе эксплуатации полупроводниковых приборов.
На защиту выносятся следующие положения и результаты работы:
1.Низкочастотный шум вида Ц1 в полупроводниковых светоизлучающих структурах есть следствие протекания нестационарных процессов в термодинамически неравновесной системе.
2. Основным механизмом генерации фликкерного шума в полупроводниковых светоизлучающих структурах, подвергающихся термополевым, радиационным и другим видам воздействий является массоперенос вследствие диффузии и подпорогового смещения атомов кристаллической решетки в их активных областях.
3. Изменения параметров низкочастотного шума тока полупроводниковых структур сопровождаются изменениями профиля распределения эффективной концентрации заряженных центров в активной области.
10
4. Анализ низкочастотного фликкер-шума может проводиться с использованием измерительной аппаратуры с более высокими рабочими частотами, чем собственные частоты исследуемого шума.
5. Использование для диагностики состояния полупроводниковых светоизлучающих структур изменений параметров фотонных шумов и пространственного распределения электролюминесценции, ускоренных обратным смещением.
11
Глава I. Состояние вопроса по исследованию
низкочастотных шумов в полупроводниковых светоизлучающих структурах
Исследование шумовых и тесно связанных с ними деградаци-онных процессов является одним из важнейших как теоретических, так и прикладных направлений современной физики и электроники. Если высокочастотные шумовые процессы изучены относительно хорошо, поддаются математическому моделированию, то низкочастотные, во многом остаются непознанными и до сих пор являются предметом интенсивного изучения.
Как известно, во всех приборных структурах имеются источники генерации электрических шумов. Теоретически нижний предел чувствительности электронных приборов при обработке слабых сигналов ограничивают три фундаментальные компоненты шума: тепловая, генерационно-рекомбинационная и дробовая. Кроме них имеются также компоненты избыточных или «фликкерных» шумов вида 1/Г В рамках различных теоретических построений предполагается, что источниками последних являются флуктуации электропроводности, эмиссии, подвижности носителей заряда в активных областях структуры и т.д. Между тем, многие исследователи сходятся во мнении, что фликкер-шум связан с еще непознанными фундаментальными явлениями природы, действующими как на микро, так и на макроуровнях организации материи.
12
1.1 Понятие низкочастотного (фликкерного) шума вида 1Д
Шумовыми процессами вида \/{ называются флуктуации, спектральная плотность мощности (Б) которых обратно пропорциональна частоте и изменяется по закону
где f - частота; у - показатель степени, обычно имеет значения от 0,8 до 1,2. Вид данной функции при различных значениях показателя степени у показан на рис. 1.1.
Впервые этот вид флуктуаций был открыт Джозефсоном в 1925 году, при проведении экспериментов с эмиссионными токами электронных ламп. В 1926 году Шоттки высказал предположение, что этот шум вызван медленными флуктуационными изменениями на поверхности термокатода и дал ему название "фликкер-эффект", от английского flicker - мерцание. Впоследствии шумы с характерным возрастанием спектральной плотности по закону 1/f были обнаружены в угольных микрофонах, металлических пленках, различных радиоэлектронных, в т.ч. и полупроводниковых компонентах. Более того, проведенные исследования показали его наличие во многих неэлектрических материалах, приборах и системах, таких, например как периодичность движения автотранспорта на дорогах, изменения биофизических параметров человеческого организма.
До настоящего времени остались не выясненными большинство вопросов об источнике - “что шумит", стационарности или неста-ционарности процесса, дискретности спектра и многие другие. Существуют частные теории, подтверждаемые экспериментально, в
13
Частота (0, отн.ед.
1,0Е+00 1.0ЕН-02 1.0Е+04 1.0Е+06
-*-0,8
-в-1
-*-1,2
Рис. 1.1 Вид функции спектральной плотности фликксрного шума Э(0 при различных показателях степени
- Київ+380960830922