Влияние глубоких центров на физические процессы в кремниевых барьерных структурах

2
ОГЛАВЛЕНИЕ
стр.
Введение............................................................. 7
Глава 1. Природа и методы описания глубоких центров
1.1. Дсфектообразование и структура твердого тела............20
і .2. Модели электронного строения глубоких центров..........25
1.3. Экспериментальные результаты исследования параметров
глубоких центров в кремнии и пленках £702 МОП-систем 32
1.3.1. Глубокие центры в кремнии .......................36
1.3.2. Глубокие центры в пленках£/02 на кремнии.......... 45
Выводы к главе 1 ............................................49
Глава 2. Влияние дефектов на параметры приборов.
Методы стабилизации
2.1. Влияние дефектов структуры на характеристики
кремния и приборов на его основе..........................50
2.1.1. Влияние дефектов структуры на свойства кремния 53
2.1.2. Влияние дефектов структуры кремния
на характеристики /)-/і-перехода....................57
2.1.3. Влияние дефектов структуры кремния
на характеристики и параметры полупроводниковых приборов и элементов интегральных схем............ 60
2.1.4. Влияние технолог ии формирования алюминиевой металлизации на параметры диодов Шоттки..................64
2.1.5. Влияние материала электродов на свойства гетероструктур халькогенидный стеклообразный полупроводник-кремний....................................67
2.2. Методы генерирования дефектов структуры кремния 70
2.3. Влияние дефекюв пленки термической £702
на стабильность МОП-систем.............................75
3
2.4. Методы повышения стабильности заряда
МОП-систем на кремнии................................80
Выводы к главе 2.........................................87
Глава 3. Влияние глубоких центров, созданных имплантацией, на физические процессы в пленках Л'02 МОП-систем на кремнии
3.1. Мегодика экспериментов...............................90
3.2. Исследование влияния режима имплантации на величину и стабильность заряда системы
3.2.1. Исследование влияния режима ионного легирования на величину эффективного заряда системы двуокись кремния-кремний........................100
3.2.2. Стабильность эффективного заряда ионнолегированных образцов при разных ТПВ.....107
3.2.3. Исследование плотности и спектров поверхностных состояний облученных ионами образцов двуокись кремния-кремний....................... 112
3.3. Исследование влияния глубоких центров, созданных имплантацией, на процессы переноса заряда в МОП-системе
3.3.1. Расчет величины заряда термостимулироваппой деполяризации системыЛ'02-5/............................119
3.3.2. Исследование нестабильности заряда пленок£/'02, облученных ионами бора и фосфора, а также пассивированных ФСС, методом ТСД-ГСП....................127
3.3.3. Исследование влияния режима отжига на эффективность геттерирования подвижного заряда пленок £/02, облученных ионами и пассивированных ФСС.................133
4
3.4. Исследование влияния имплантации на структуру и диэлектрические свойства пленок Si02
3.4.1. Исследование структуры и скорости травления
облученных ионами пленок Si02......................143
3.4.2. Диэлектрические параметры ионно-легированных пленок двуокиси кремния..................................153
3.5. Моделирование влияния глубоких центров, созданных облучением ионами, на параметры пленок Si02 МОП-систем на кремнии........................................159
Выводы к главе 3............................................171
Глава 4. Определение параметров глубоких центров методом релаксационной спектроскопии
4.1. Основные принципы релаксационной
спектроскопии глубоких уровней...........................175
4.2. Приближения, лежащие в основе описания физических процессов при нестационарной спектроскопии глубоких уровней.............................................178
4.2.1. Модель НСГУ, основанная на статистике Шокли-Рида 179
4.2.2. Активационно-дрейфовая модель релаксационной спектроскопии глубоких уровней
для ловушек основных носителей......................182
4.3. Экспериментальное исследование параметров
глубоких уровней методом РСГУ.............................190
4.4. Экспериментальное подтверждение активационно-дрейфовой модели НСГУ по литературным данным.................205
4.4.1. Анализ литературных данных по исследованию
ГУ в кремнии методом DLTS...........................209
4.4.2. Анализ литературных данных по исследованию ГУ
в GcAs, InP и Ge методом DLTS.......................217
5
4.5. Определение параметров глубоких центров
при поверхностно-барьерной неустойчивости................223
Выводы к главе 4.............................................227
Глава 5. Определение параметров глубоких центров
методом спектроскопии низкочастотного шума...................230
5.1. Характеристики и параметры спектров НЧ-шума
5.1.1. Статистические характеристики 1#-шума.............232
5.1.2. Влияние частоты и температуры на СИМ НЧ-шума. Основные принципы шумовой спектроскопии глубоких уровней...........................235
5.2. Теории и гипотезы, описывающие механизм генерации низкочастотного шума
5.2.1. Приближения, лежащие в основе теоретических моделей описания механизма генерации НЧ-шума 246
5.2.2. Модели формирования НЧ-шума в полупроводниковых приборах
и определение параметров ГЦ на их основе...........256
5.3. Развитие активационно-дрейфовой модели
как основы спектроскопии низкочастотного шума в барьерных структурах
5.3.1. Обобщенная акгивационно-дрейфовая модель формирования низкочастотного шума в барьерных структурах с глубокими центрами...........................272
5.3.2. Экспериментальное исследование параметров глубоких уровней методом спектроскопии низкочастотного шума......................................277
5.4. Экспериментальное подтверждение обобщенной активационно-дрейфовой модели генерации НЧ-шума по литературным данным
6
5.4.1. Качественные закономерности......................282
5.4.2. Количественный анализ............................288
5.5. Моделирование влияния различных факторов
на низкочастотный шум диода с барьером Шотгки
5.5.1. Методика вычислительного эксперимента...........294
5.5.2. Аппроксимация формы спектров.....................297
5.5.3. Моделирование спектров НЧ-шума...................298
5.5.4. Моделирование температурных зависимостей
СПМ НЧ-шума.......................................305
5.5.5. Моделирование влияния величины образ ного смещения барьера Шоттки
на интенсивность НЧ-шума..........................310
5.5.6. Исследование влияния положения точки отсчета
в (5.21), (5.22) на спектры НЧ-шума...............314
5.5.7. Сопоставление расчетных и экспериментальных результатов............................................318
Выводы к главе 5...........................................321
Основные результаты и выводы........................................325
Библиографический список............................................329
Приложения..........................................................371
7
ВВЕДЕНИЕ
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Одна из наиболее важных прикладных проблем физики полупроводников и диэлектриков - повышение стабильности параметров полупроводниковых приборов и инте1ральных схем - неразрывно связана с разработкой научно обоснованных технологических решений и надежных методов контроля характеристик материалов и приборов.
Дефекты структуры (собственные или обусловленные внешними воздействиями) создают глубокие центры (ГЦ), энергетически локализованные в запрещенной зоне или щели подвижности полупроводников и диэлектриков, и придают материалам и приборам полезные или, чаще, нежелательные свойства. Это обусловливает важность как контроля параметров электрически активных ГЦ, так и понимания физической сущности их проявления. Одним из примеров позитивного влияния глубоких ловушек-радиационных дефектов на характеристики пленок £г02 и физические процессы в системе 8Ю2-Я1 является эффект геттерирования подвижного заряда, обнаруженный в настоящей работе. Отметим, что к моменту постановки задач диссертации, исследования в указанном направлении только начинались и проблема стабилизации заряда МОП-систем была весьма актуальной. Кроме гот, отсутствовали результаты изучения влияния режима ионного легирования, среды и температуры отжига (т.е. особенностей введения ГЦ) на структуру пленок БЮ2 и физические процессы в образцах двуокись кремния-кремний.
В большинстве случаев глубокие центры, создаваемые несовершенствами структуры, прямо или косвенно приводят к деградации полупроводниковых приборов. Наблюдаются «мягкие» обратные вольт-амперные характеристики, понижение пробивных напряжений, генерация шума, снижение процента выхода годных приборов. Применение бездефектного материала не является решением проблемы, так как число точечных и линейных дефектов, возникающих на протяжении веет технологического процесса изготовления прибора, намного превышает число исходных несовершенств.
8
Теория электронного строения глубоких центров и создаваемых ими глубоких уровней (1"У) находится в настоящее время на этапе развития. Однако совершенствование инструментальных методов, основанных на процессах переноса заряда, и экспериментальные исследования интенсивно продолжаются.
Наиболее чувствительными методами исследования параметров глубоких центров в полупроводниковых приборах являются нестационарная спектроскопия глубоких уровней (НСГУ, включая DLTS - Deep Level Transient Spectroscopy) и спектроскопия низкочастотног о (НЧ) шума. Изучению параметров ГУ указанными методами посвящено очень большое число работ. Анализ состояния проблемы свидстел1>ствует о том, что ряд вопросов, касающихся физических механизмов процессов, протекающих в полупроводниковых приборах с ГЦ, остается открытым. Современный уровень понимания природы ГЦ допускает разную интерпретацию экспериментальных результатов и существование разных моделей, описывающих физические процессы в материалах и приборах, содержащих ГЦ, и являющихся основой для определения их параметров. Достоверность результатов определения параметров ГЦ может быть достигнута путем применения упрощенных методик расчета и использования комплекса экспериментальных методов.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ - изучение влияния глубоких центров на физические процессы в кремниевых диодах с барьером Шоттки, несимметричных р-п-переходах и МДП-структурах, а также возможностей практического применения полученных результатов в технологических процессах и на этапах контроля в производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем (ИС).
Поставленная цель достигается решением следующих задач.
* Анализ состояния и тенденций развития теории электронного строения глубоких центров, а также методов их экспериментального исследования.
* Систематизация данных по параметрам отдельных групп глубоких центров в кремнии и пленках термической Si02’, по влиянию различных де-
9
фектов на характеристики материалов и приборов, а также методам их стабилизации.
* Комплексное исследование влияния глубоких центров, созданных ионно-лучевым легированием в пленках ЗЮ2, на физические процессы в МОП-системах, структуру и свойства пленок двуокиси кремния; выяснение закономерностей изменения характеристик образцов при вариации режимов имплантации и отжига; разработка предложений по практическому применению обнаруженных эффектов в технологических процессах микроэлектроники.
* Разработка математических моделей, описывающих влияние режимов имплантации и отжига на параметры пленки БЮ2 в МОП-струкгуре.
* Анализ существующих теоретических приближений, описывающих физические процессы при ИСГУ и низкочастотной шумовой спектроскопии; изучение возможностей применения активационно-дрейфовой модели для описания релаксационных явлений и обработки экспериментальных результатов исследования параметров глубоких центров в полупроводниковых приборах.
* Математическое моделирование влияния параметров ГЦ и внешних факторов на спекгральные зависимости НЧ-шума кремниевого диода с барьером Шоттки и сопоставление результатов с экспериментальными.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. В качестве экспериментальных образцов применены барьерные структуры на кремнии и- и /?-типов проводимости. Система где толщина термической пленки двуокиси
кремния изменялась от 0,03 до 1 мкм, подвергалась облучению ионами бора или фосфора средних энергий (20-100 кэВ) и озжшу в различных режимах на промышленных предприятиях. Методами ИК-спсктроскопии, вольт-фарадных и вольт-амнерньгх характеристик, термостимулированной релаксации заряда (поляризации и деполяризации), измерения диэлектрических параметров, скорости травления и пористости изучено влияние режима имплантации на структуру пленок &'02 и электрофизические свойства МОП-
10
систем, а также параметры глубоких центров, созданных радиационными дефектами.
Кроме того, на образцах МОП-структур, диодов Шоттки и несимметричных р-м-переходов исследованы параметры глубоких центров (энергии ионизации АЕ, и концентрации М) методами токовой и емкостной нестационарной спектроскопии глубоких уровней и спектроскопии низкочастотного шума.
Для изучения физических процессов в барьерных структурах применены также методы теоретического анализа, планирования эксперимента и численного математического моделирования на ПЭВМ.
ДОСТОВЕРНОСТЬ результатов подтверждается соотвегствисм данных расчетов, выполненных на основе разработанных теоретических положений, результатам экспериментальных исследований; совпадением значений исследованных параметров, полученных на одних и тех же образцах разными методами. Результаты и выводы, опубликованные автором в 70-х-80-х г.г., впоследствии нашли подтверждение в работах отечественных и зарубежных исследователей.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА
В диссертационной работе получены новые результаты в развитии научного направления физики полупроводников и диэлектриков - изучении физических процессов в материалах и приборах с глубокими центрами и определении параметров этих центров на основе исследования релаксационных явлений.
1. Методами пассивного и активного эксперимента впершие проведено комплексное исследование влияния режима ионно-лучевого легирования на структуру, основные физические параметры пленок Л02 на кремнии, величину и стабильность заряда системы двуокись кремния-кремний при изменении входных факторов (дозы облучения, температуры огжига) в широких пределах. Экспериментально обнаружены физические явления, ранее в литературе не описанные: снижение под действием имплантации подвижной
11
компоненты заряда; изменение величины относительной диэлектрической проницаемости € при вариации режима воздействия; рост удельного сопротивления р и электрической прочности Епр облученных ионами образцов.
2. Впервые разработана и подтверждена экспериментом математическая модель, учитывающая влияние радиационных дефектов, созданных имплантацией, на величину подвижного заряда системы £/02-5/ в термоактивированных процессах. Получены аналитические выражения для расчета величины заряда термостимулированной деполяризации, напряженности электрического поля и потенциала в окисле облученных ионами образцов ЗЮ2-Si. Показано, что наименьшая величина подвижного заряда соответствует локализации максимума распределения радиационных дефектов внутри пленки $/02.
Полученные результаты позволяют прогнозировать изменения характеристик системы £/02“& под влиянием имплантации ионов любых элементов в пленку термической двуокиси кремния с учетом их заряда, массы, дозы, энергии облучения и особенностей взаимодействия с материалом мишени.
3. На основании сравнительного анализа результатов исследования нестабильности заряда впервые сформулированы и экспериментально обоснованы преимущества низкотемпературного генерирования при помощи ионно-лучевого легирования по сравнению с пассивацией системы фосфоросиликатным стеклом.
4. Методами планирования эксперимента и регрессионного анализа впервые построены модельные зависимости, описывающие влияние режима облучения и отжига на характеристики пленок 5702 в МОП-системе. Полученные зависимости позволяют прогнозировать режимы имплантации и отжига, необходимые для конкретного практического применения.
5. Развитие физической модели явления поверхностно-барьерной неустойчивости в «-£/ состоит в учете тепловой генерации носителей не только с поверхностных состояний, но и с глубоких донорных цетров, расположен-
12
ных во всей активной части ОПЗ, и их дрейфа в поле к электронейтральной области базы новсрхностно-барьерной структуры.
6. Предложена обобщенная активационно-дрейфовая модель формирования низкочастотного токового шума в полупроводниковых барьерных структурах, позволяющая объединить ряд альтернативных приближений, и основанная на описании активации носителей заряда с глубоких центров, локализованных не только на внешней поверхности полупроводника, но и в ОПЗ барьерных слоев. Активной является область, где ГУ пересекаются с уровнем Ферми. Обоснованием широкого диапазона изменения времени релаксации развиваемая модель устраняет одну из основных трудностей теоретического описания процесса формирования НЧ-шума в полупроводниковых приборах
7. На базе представления сигнала НЧ-шума в виде суперпозиции ло-ренцианов впервые проведено математическое моделирование на ПЭВМ спектральной плотности мощности (СПМ) НЧ-шума в диапазоне температур 200-600 К, частот - 0,001-1000 Гц, концентрации свободных носителей заря-
| Л 1о л
да в базе диода Шоттки на кремнии «-типа - 10 -10 см , энергии ионизации ГУ - 0,2-0,6 эВ и обратном смещении - 0-7 В. Модельные зависимости СПМ НЧ-шума могут быть получены и для барьерных слоев других полупроводниковых приборов при внесении необходимых изменений в исходные данные программы.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ,
ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ
1. Физическая природа эффекта снижения концентрации подвижного заряда в пленках 6т/02 на кремнии после имплантации объясняется захватом подвижных катионов дефектами струюуры типа немоетикового кислорода или комплексов внедренный ион-кислород, наличие которых обнаружено на
13
ИК-спектрах образцов. Модель подтверждена результатами комплексного экспериментального исследования влияния режима облучения ионами бора или фосфора на свойства пленок БЮг в МОП-системс.
2. Па основе полученных аналитических соотношений, описывающих зависимость величины подвижного заряда пленок 3702 от режима облучения, показано, что максимальный геттерирующий эффект достигается в случае, когда пик распределения радиационных дефектов локализован внутри пленки *$Ю2. Наиболее эффективным с точки зрения стабилизации заряда пленок ЯЮ2 является облучение ионами фосфора дозой (6-8)-1012 см'2 или ионами бора дозой (3-6)• 1013 см'2 с последующим отжигом при температуре 450-500 °С в среде кислорода.
3. При помощи построенных на основе методики планирования эксперимента модельных зависимостей, описывающих влияние типа внедренных ионов, их дозы, температуры и среды отжига на физические характеристики системы ЯЮ2-31, определены необходимые для практического использования изменения свойств МОП-структур.
4. Предложена методика расчета времени релаксации термоактивированных процессов в пленках 5702, основанная на представлении переноса подвижных ионов как совокупности совместных событий термической активации с глубоких ловушек и дрейфа носителей в электрическом поле.
5. Показано, что условиями применимости активационно-дрейфовой модели как одного из приближений, используемых для описания релаксационных процессов и определения параметров ГЦ, является создание неравновесного заполнения ГУ, а также наличие обратного смещения на барьерном слое. При этом происходят статистически непрерывные генерация носителей с ГУ и их дрейф в поле ОПЗ к электронейтральной базе прибора на расстояния, соизмеримые в толщиной ОПЗ, без повторного захвата. Применение основного соотношения модели для расчета параметров ГЦ при их изучении
14
методами НСГУ и спектроскопии НЧ-шума упрощает обработку экспериментальных данных.
6. Развиваемая обобщенная активационно-дрейфовая модель форми-рования низкочастотного токового шума в полупроводниковых барьерных структурах позволяет объединить ряд альтернативных подходов к описанию этого явления. Совокупность флуктуаций процессов эмиссии и дрейфа носителей отражает как флуктуации концентрации носителей заряда, так и флуктуации их подвижности за счет рассеяния при переносе в поле ОПЗ. Показано, что основное расчетное соотношение модели может быть применено для расчета параметров ГЦ, локализовашшх не только в ОПЗ барьеров Шоттки и несимметричных /?-лпереходов, но и полевых транзисторов. Предложено обобщение модели на случай активации носителей заряда с глубоких центров, локализованных не только на внешней поверхности полупроводника, но и в ОПЗ барьерных слоев полупроводниковых приборов.
7. Численные расчеты спектральных зависимостей НЧ-пгума проведены на основе представления сигнала в виде суперпозиции множества составляющих лоренцевой функции с различными временами релаксации. Результаты математического моделирования на ПЭВМ спектральных зависимостей НЧ-шума диода Шоттки на кремнии л-типа, полученные в широком диапазоне изменения входных факторов (частоты, температуры, концентрации свободных носителей заряда, энергетической локализации ГУ и величины обратного смещения), подтверждают возможность применения обобщенной активационно -дрейфовой модели для расчета параметров ГЦ методом спектроскопии низкочастотного шума.
15
Па основании совокупности результатов теоретических и экспериментальных исследований, включающей новые закономерности физических явлений в барьерах Шоттки, несимметричных /?-д-переходах и МДП-структурах с глубокими центрами, в работе предложены научно обоснованные решения, направленные на повышение стабильности параметров полупроводниковых приборов.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ И РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ
1. На базе комплексных экспериментальных и теоретических исследований, выполненных автором в значительной части непосредственно на предприятиях электронной промышленности, разработаны режимы имплантации ионов бора и фосфора средних энергий и отжига структур двуокись кремния-кремний, обеспечивающие наиболее эффективное геттерирование подвижной компоненты заряда глубокими ловушками. Разработанный низкотемпературный метод создания гсттсрирующего слоя совместим с операцией легирования подложки через слой окисла.
2. Разработаны расчетные соотношения, описывающие влияние типа внедренных ионов, их дозы, температуры и среды отжига на физические характеристики системы Применение этих соотношений позволяет на-
правленно регулировать параметры приборов, решая задачи повышения стабильности и процента выхода годных изделий микроэлектроники.
3. Предложены режимы проведения экспресс-контроля пористости ди-электрических пленок на полупроводниковых подложках методом электрографии, обеспечивающие получение качественных рефлексов на постоянном и переменном токе за минимальное время.
16
4. Получены аналитические выражения для расчета величины заряда термостимулированной деполяризации, напряженности электрического поля и потенциала в окисле облученных ускоренными ионами образцов Показано, что минимальная величина подвижного заряда соответствует локализации максимума распределения радиационных дефектов внутри пленки £*02* Указанное может быть применено к имплантации ионов любых элементов с учетом необходимых поправок.
5. Сформулированы и экспериментально обоснованы преимущества низкотемпературного генерирования при помощи ион но-лучевою легирования по сравнению с пассивацией системы фосфоросиликатным стеклом.
6. Получены количественные данные, показывающие влияние материала электродов, степени его чистоты и особенностей обработки поверхности кремния перед металлизацией на параметры и характеристики ряда поверхностно-барьерных приборов.
7. Предложена упрощенная методика расчета энергии ионизации ГЦ на основе результатов их исследования методами НСГУ и спеюроскопии НЧ-шума по положению характеристических точек без проведения измерений в широком диапазоне температур и построения зависимостей Аррениуса.
На опубликованные автором результаты работы имеются ссылки в ряде научных статей и в монографии.
Работа выполнена в рамках тематических планов Минобразования России в области фундаментальных исследований и межвузовских научно-технических программ.
Результаты диссертации внедрены в технологические процессы производства полупроводниковых приборов и интегральных схем на предприятиях п/я А-1527 (г. Москва) и АО «Кремний» (г. Брянск).
По материалам диссертации изданы пять учебных и методических пособий, используемых при подготовке инженерных кадров в Рязанской госу-
17
дарственной радиотехнической академии но специальности «Микроэлектроника и полупроводниковые приборы».
Использование результатов диссертации подтверждено соответствующими актами.
ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА В ДИССЕРТАЦИЮ
Вес основные результаты, выводы, рекомендации и научные положения, изложенные в диссертации, принадлежат лично соискателю.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
* Всесоюзной научной конференции «Основные задачи микроэлектроники и области сс применения» (Москва, 1972 г.);
* Всесоюзной конференции «Физика диэлектриков и перспективы ее развития» (Ленинград, 1973 г.);
* Всесоюзном научно-техническом семинаре «Надежность и стабильность качества производства аппаратуры на интегральных схемах» (Нальчик,
1974 г.);
* Всесоюзной научно-технической конференции по совершенствованию технологии производства ИС и многослойных печатных плат (Вильнюс,
1975 г);
* Всесоюзной научно-технической конференции по микроэлектронике (Львов, 1975 г.);
* IV Всесоюзной конференции «Взаимодействие атомных частиц с твердым телом» (Харьков, 1976 г.);
* Всесоюзном семинаре «Физические проблемы МДП-интегральной электроники» (Киев, 1976 г.);
* I и III Симпозиумах по физике диэлектрических материалов (Москва, 1975 и 1977 гг.);
18
* VIII Всесоюзной конкуренции но неразрушающим физическим методам и средствам контроля (Кишинев, 1977 г.);
* IV Всесоюзном совещании по физике поверхностных явлений в полупроводниках (Киев, 1977 г.);
* VIII Всесоюзной научно-технической конференции по микроэлектронике (Москва, 1978 г.);
* 1-^ Всесоюзных научно-технических семинарах «Пути повышения стабильности и надежности микроэлементов и микросхем» (Рязань, 1976, 1981, 1984, 1987 гг.);
* Всесоюзном семинаре «Математическое моделирование и экспериментальное исследование электрической релаксации в элементах интегральных схем» (Гурзуф, 1983 г.);
* Всесоюзной научно-технической конференции «Исследование и разработка перспективных ИС памяти» (Москва, 1986 г.);
* I и III Всесоюзных совещаниях-семинарах «Математическое моделирование и экспериментальное исследование электрической релаксации в элементах микросхем» (Одесса, 1986 и 1988 гг.);
* III Всесоюзном совещании «Математическое моделирование физических процессов в полупроводниках и полупроводниковых приборах» (Вильнюс, 1989 г.);
* Всесоюзной конференции «Элскгричсская релаксация и кинетические явления в твердых телах» (Сочи, 1991 г.);
* III Всесоюзной конференции «Физические основы надежности и деградации полупроводниковых приборов» (Кишинев, 1991 г.);
* Научно-технической конференции «Физические основы надежности и деградации полупроводниковых приборов» (Нижний Новгород - Астрахань, 1992 г.);
* Научно-техническом семинаре «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» (Москва, 1993 г.);
19
* Российской научно-технической конференции «Автоматизация исследований: проектирование и испытание сложных технических систем» (Калуга, 1993 г.);
* II Международной конференции «Актуальные проблемы фундаментальных наук» (Москва, 1994 г.);
* Всероссийском симпозиуме по эмиссионной электронике памяти Г.Н.Шуппе (Рязань, 1996 г.);
* Международной научно-технической конференции «Проблемы и прикладные вопросы физики» (Саранск, 1997 г.);
* Международной научно-технической конференции по физике твердых диэлектриков «Диэлектрики-97» (Санкт-Петербург, 1997 г.);
* Международной конференции «Центры с глубокими уровнями в полупроводниках и полупроводниковых структурах» (Ульяновск, 1997 г.)
* Международных научно-технических семинарах «Шумовые и дегра-дационные процессы в полупроводниковых приборах» (Москва, 1996, 1997, 1998 гг.);
ПУБЛИКАЦИИ
По теме диссертации опубликована 71 работа. Результаты диссертационной работы вошли в 14 отчетов но хоздоговорным ПИР, выполненным при непосредственном участии автора.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библио1ра-фического списка из 430 наименований и приложений, подтверждающих практическое использование результатов работы; содержит 376 страниц сквозной нумерации, в том число 248 страниц основного текста, 35 таблиц и 118 рисунков.
20
ГЛАВА 1. ПРИРОДА И МЕТОДЫ ОПИСАНИЯ ГЛУБОКИХ ЦЕНТРОВ
Задачей настоящей главы является краткий анализ состояния вопросов о том, какова природа глубоких центров, какими методами может проводиться их математическое описание и экспериментальное исследование, какие центры оказывают наиболее значительное влияние на характеристики рассматриваемых в последующих главах диссертации материалов и приборов.
1.1. ДЕФЕКТООБРАЗОВАНИЕ И СТРУКТУРА ТВЕРДОГО ТЕЛА
На протяжении многих лет одной из важнейших проблем физики полупроводников и физики твердого тела в целом является проблема дефектооб-разования и влияния дефектов на физико-химические процессы в материалах. В физике твердого тела дефектами называют пространственно локализованные и невзаимодействующие части структуры со свойствами, достаточно сильно отличающимися от свойств идеальной структуры, в которой расположены дефекты. Любое нарушение периодичности потенциала кристаллической решетки, вызванное дефектами, приводит к изменению основных термодинамических и кинетических параметров материала 1.1-8]. Эти изменения определяются микроструктурой, плотностью, геометрической конфигурацией дефектов и их комплексов. Дефекты, как правило, имеют определенный заряд и ведут себя как электрически активные центры, взаимодействуют с электронными состояниями материала и между собой. Это означает, что в запрещенной зоне кристалла или энергетической щели неупорядоченного материала присутствуют локализованные состояния (глубокие центры). Рис. 1.1 и 1.2 иллюстрируют связь между стехиометрией кристалла и энергетической локализацией ГЦ простейших дефектов. Глубокие центры создаются дефектами структуры материалов, в то же время сгрукгура определяется особенностями дефектообразования.
21
Зонная схема кристалла, содержащего дефекты Френкеля, в котором уровни вакансии V являются более глубокими, чем уровни междоузельных атомов 1 [8]
а б
Рис. 1.1
а — стехиометрический кристалл; б — кристалл с избыточным числом вакансий, обусловленных отклонением от стехиометрии; Т- О К
Зонная схема кристалла, содержащего дефекты Френкеля, в котором уровни вакансии V являются более мелкими, чем уровни междоузельных атомов 1 [8]
------------------------Е с ^-е
- - - - -У Z Z Z ~ !
---------------------------------------------------------- Еу
а Р
Рис. 1.2
а — стехиометрический кристалл; б — кристалл с избыточным числом вакансий, обусловленных отклонением от стехиометрии; Т- О К
22
Расположение атомов в твердом теле образует его структуру. Для идеального кристаллического вещества это расположение имеет трансляционную симметрию и образует регулярную пространственную кристаллическую решетку. В стеклообразном состоянии более или менее выраженную регулярность имеет только расположение ближайших соседей каждого из атомов основного вещества, которые образуют непрерывную сепсу стекла.
Для описания идеальной структуры твердого тела вводят понятие минимального структурного фрагмента, с помощью которого можно охарактеризовать всю структуру. Для кристаллического состояния таким фрагментом является элементарная ячейка, которая, имея минимальное число атомов, характеризует все свойства симметрии кристалла, т.е. пространственную группу симметрии. Для описания «идеальной» структуры неупорядоченных твердых тел используют понятие ближнего порядка. Идеальную структуру стеклообразного состояния вещества образуют атомы, имеющие одинаковый (наиболее выгодный для данного сорта атомов) ближний порядок [6]. Такую структуру можно представить как пространственную сумму из правильно чередующихся (для сохранения локальной стехиометрии) мотивов ближнего порядка, частично перекрывающих друг друга. Периодичность структуры твердого гела может нарушаться в обширных областях у внешних поверхностей или у внугренней поверхности раздела, вдоль линий дислокаций или около отдельных узлов решетки. При нарушении трансляционной симметрии решетки возникает дополнительный потенциал, стремящийся к нулю при удалении от дефекта структуры.
При низких температурах и малых уровнях внешних возбуждений дефекты выступают как практически неподвижные локальные нарушения идеальной структуры. Представления о таких центрах почти с одинаковым успехом могут быть применены для описания свойств как кристаллических, так и стеклообразных твердых тел [6, 9].
23
Простейшие собственные дефекты - вакансии и междоузельные атомы в полупроводниках достаточно подвижны при комнатной, а в отдельных случаях при более низких температурах; они легко образуют комплексы с до-норными и акцепторными примесями, часто изменяя их тип [10]. При высоких температурах и уровнях внешних возбуждений дефекты могут быть весьма подвижными и определять характер процессов диффузии, ионной электропроводности, а также изменение свойств твердою тела при облучении, отжиге и т.д. [1-14].
С проблемой дефектообразования тесно связана проблема неупорядоченности твердого тела. По мнению О.Маделунга [15], важными являются два аспекта рассмотрения свойства упорядоченности твердого тела: ближний и дальний порядок. Дальний порядок связывает области с ближним порядком таким образом, что атомы в эквивалентных узлах решетки имеют одинаковое окружение с той же самой ориентацией. С другой стороны, геометрическое определение дефекта требует существования только ближнего порядка. Следовательно, можно представить себе существование таких же дефектов в неупорядоченных стеклообразных материалах, поскольку в этих веществах ближний порядок сохраняется (рис. 1.3). В стеклообразных ковалентных материалах как межатомное расстояние, так и угол между связями примерно равны соответствующим величинам в кристалле [6, 14]. Вследствие этого окружение точечного дефекта, обусловленное вносимыми им изменениями, в материалах обоих типов качественно одинаково.
Однако если концентрация дефектов достаточно велика и имеет место их взаимодействие (т.е. вносимые ими возмущения перекрываются), то определение дефекта структуры как локального нарушения теряет смысл, и вещество переходит в неупорядоченное аморфное состояние с новыми физикохимическими свойствами (рис. 1.4).
24
Точечные дефекты в полупроводнике IV группы [14]
О о о о о о
о ь • с
о о о о О о
О а о о о о
о о о с/ о
о о о о о
о о о /• о
о о о о о о
Рис. 1.3
а — вакансия; Ь — собственный междоузельный дефект; с — мевдоузельная примесь; с! — двойная вакансия; е — примесь замещения; £ — комплекс вакансия—примесь замещения
Возможные типы неупорядоченности решетки [15]
г
Рис. 1.4
а — упорядоченная решетка; б — образование смешанного кристалла путем статистического распределения атомов двух сортов по узлам решетки (композиционная неупорядоченность); в — позиционная неупорядоченность вследствие искажения решетки; г — топологическая неупорядоченность с одновременным образованием ненасыщенных связей
25
1.2. МОДЕЛИ ЭЛЕКТРОННОГО СТРОЕНИЯ ГЛУБОКИХ ЦЕНТРОВ
Рассмотрим, каким образом в зонной теории твердого тела учитывается наличие различных отклонений от идеальной структуры кристалла (дефектов). Электронная структура определяется деталями атомной структуры и особенностями движения атомов. Поскольку ГУ сильно локализованы, важную роль могут играть эффекты электрон-электронного взаимодействия, и любое рассмотрение, основанное на теории возмущений но малым отклонениям от идеального кристалла, будет неэффективным [14].
В общем случае уравнение Шредингера в одноэлекгронном приближении записывается в следующем виде [17]:
где 4х - волновая функция; Й - приведенная постоянная Планка; Е - полная энергия электрона; Ус - потенциальная энергия электрона в идеальной кристаллической решетке; 11 - дополнительная потенциальная энергия, обусловленная наличием дефектов.
При заданной потенциальной энергии электрона в поле дефекта 17 величина Ус может играть роль малого возмущения, если рассматриваются состояния, электронные волновые функции которых не распределены по всей решетке, а локализованы в области, где энергия 17 велика. Уровни, удовлетворяющие этому условию, Ф.Бассани и П.Парравичини [17] определяют как глубокие. Другая ситуация возникает для тех состояний, у которых электронная волновая функция «размазана» в области, где доминирует потенциальная энергия электрона в решетке Ус. В этом случае роль малого возмущения играет потенциальная энергия 17. Такие уровни называют мелкими [17].
Общей теории, описывающей особенности любых локализованных состояний, в настоящее время не существует. Есть, однако, различные приближенные методы, применяемые в отдельных предельных случаях.
(1.1)
26
Один из них - теория эффективной массы - удовлетворительно описывает мелкие уровни, характерные для донорных и акцепторных примесей [15, 18-22]. Преимуществом этого подхода является его простота, поскольку уравнение, описывающее связанное состояние, сводится к уравнению Шре-дингера для атома водорода. Величина и в (1.1) может быть отрицательной или положительной. Электроны, следовательно, могут быть связаны на дефекте или отталкиваться им. Соответственно (1.1) имеет решения, которые локализованы около дефекта и энергетические уровни которых лежат ниже или над состояниями рассматриваемой энергегической зоны. Один из результатов анализа (1.1) приведен на рис. 1.5 [21]. В зависимости от знака возмущающего потенциала от квазинепрерывиой энергетической зоны отщепляется состояние наивысшей или наинизшей энергии. Огщепившссся состояние пространственно локализовано в окрестности дефекта. Если знак V положителен, то отщепляется верхнее состояние; если отрицателен - отщепляется нижний уровень. В пределах зоны возникают лишь незначительные сдвиги состояний. В то время как волновая функция в зоне остается приближенно делокализованной блоховской функцией, волновая функция, соответствующая отщепившемуся состоянию, является локализованной. Этот результат оправдывает сохранение зонной модели и ее обобщения с энергетическими уровнями дефекта для описания кристаллов, искаженных дефектами с малой концентрацией [15, 21]. Недостатки метода эффективной массы хорошо видны из сравнения с экспериментальными данными для реальных полупроводников, легированных донорными примесями [19]. В приближении эффективной массы энергия ионизации (АЕгЕс -Е&) всех донорных состояний в кремнии оказалась одинаковой и равной 0,029 эВ, в то время как экспериментальные значения для Р, Аэ и ЗЬ лежат в интервале от 0,039 до 0,049 эВ. По мнению авторов [14], эти расхождения обусловлены, главным образом, несправедливостью исходного предположения о незначительности возмущения, вносимого донорным атомом в ближайшее окружение.
27
Энергетическая зона для простой трехмерной модели периодического потенциала с изолированным дефектом как функция отклонения потенциала дефекта от потенциала в неискаженном узле решетки [15, 21]
Рис. 1.5
28
Другие теории используются для описания более сильно связанных состояний, лежащих глубже в энергетической щели. Упрощение при этом достигаем сильной локализацией потенциала, и теория эффективной массы оказывается неприменимой. Существует определение глубокого уровня как состояния, которое не может быть описано в приближении эффективной массы.
Особенностью примесей, создающих ГУ, является то, что электронные конфигурации этих примесей несферически симметричны и носят сильно локализованный характер [2]. Количественное описание электронных свойств примесей переходных металлов в алмазоподобных полупроводниках наталкивается на ряд трудностей. Это исключительная сложность самосогласованных расчетов типа Харгри-Фока из-за незаполненных ^-оболочек; сильная неадиабатичность состояний переходного металла, расположенных, как правило, очень близко одно к другому; громоздкость квантово-химических па-рамезризационных расчетов, затрудняющих выявление присузцих исследуемой системе общих закономерностей. Поэтому важное значение имеет качественный анализ природы этих центров, проводимый методами теории групп на основе фундаментальных представлений о симмезрии [2].
Теория внутрикристаллического поля [15, 17] имеет дело с исследованием влияния электростатического поля симметрично расположенных соседних атомов на отдельный азом решегки (дефект замещения или атом первичной решетки). Всеми другими взаимодействиями с соседними атомами пренебрегают. Таким образом, эта теория охватываег не валентные элекфоны, являющиеся предметом рассмотрения теории эффективной массы, а электроны в глубоко лежащих частично заполненных оболочках.
Уравнение (1.1) не является адекватным в качестве исходного, поскольку не рассматривается движение отдельного элекгрона в поле иона и его окружения. Напротив, моделируются все возможные взаимодействия в атоме, по крайней мере - в недостроенных электронных оболочках. Даже если внузри-крисгаллическое поле рассматривается в качестве малого возмущения, для
29
облегчения выбора адекватного подхода к решению уравнения Шредингера оценивается порядок величины вкладов отдельных членов гамильтониана. Полный оператор Гамильтона имеет вид [15]:
Я = Я +Н л +11 +Н + Я + Я + Я , (1.2)
кын ЭЛ-яд ЭЛ-ЭЛ СО вП М ЯП7
где II- кинетическая энергия всех электронов рассматриваемого атома; Яол яд ~ взаимодействие электронов с ядрами; ~ межэлектронное
взаимодействие в атоме; Н со - спин-орбитальное взаимодействие; Н^ -влияние внутрикристаллического поля; Им - магнитное взаимодействие между электронами и ядрами; Я - взаимодействие с внешними элсктриче-
скими или магнитными полями.
Я и Я далее на рассматривают, Я и Я . объединяют в нуле-
м вн кин эл— ЯО
вом приближении в оператор IIо и полагают главным членом в (1.2). Ям.м, Нсо и Я считают возмущениями по отношению к Я0. Использованное приближение состоит в последовательном учете вместе с Н0 одного из трех операторов. Затем применяется техника теории возмущений для дальнейшего обобщения решений путем учета вклада друг ого оператора и т.д.
Далее предполагаю! для свободною атома, что расщепление уровней, вырожденных в нулевом приближении, за счет межэлектронного взаимодействия больше, чем за счет спин-орбитального взаимодействия. Для атома, встроенного в решетку, различают три случая.
1. Сильные внутри кристаллические поля: Я > Я > Я .
*' г г вп ЭЛ-ЭЛ со
2. Умеренные вн\трикристаллические поля: Я >11 > Я .
1 эл-эл ел со
3. Слабые внутрикристаллические поля: Я >Я >Я .
*' 1 эл-эл со вн
Указанные случаи определяют стадию, на которой рассматривается
влияние внутрикристаллического поля в расчете по теории возмущений.
Примеры расчетов приведены в [15, 17]. Корректный учет межэлектронного взаимодействия позволяет в конечном счете решить проблему возможного
30
числа зарядовых состояний многоэлектрониого по характеру центра с незаполненными оболочками [2].
В монографии М.Ланно и Ж.Бургуэна [14] развито применение приближения сильной связи к задаче о глубоком уровне. Основная операция в приближении сильной связи состоит в разложении волновой функции с использованием базиса собственных состояний свободного атома. Эта операция отвечает методу линейной комбинации атомных орбиталей (ЛКАО). Атомные орбитали, центрированные на различных атомах, не ортогональны, поэтому возникает задача рассмотрения межатомных интегралов перекрытия. Поскольку основное уравнение метода ЛКАО содержит матричные элементы, которые не обладают быстрой сходимостью в реальном пространстве, его решение требует обширного численного расчета. Приближение состоит в пренебрежении всеми интегралами перекрытия: это приближение сильной связи. Авторы [14] рассматривают это приближение для случая ковалентно связанных систем с 5/ьсвязью, которые представляют собой полупроводники IV группы. С целью иллюстрации общих свойств связанных состояний в полупроводниках приводится прямой анализ вакансии в линейной цепочке с лр-связыо. описывается и обсуждается модель молекулы дефекта для нескольких простых точечных дефектов.
Далее вводится более общий метод расчета - метод функций Грина, который позволяет получить точные результаты для заданного возмущающего потенциала дефекта, в том числе с учетом многоэлекгронных эффектов в приближении сильной связи. Один из выводов этого расчета, например, состоит в том, что величина энергетического интервала между положительно заряженным состоянием вакансии в кремнии V* и се отрицательным состоянием V ~ порядка ширины запрещенной зоны. Это приближенно согласуется с экспериментальными данными по определению энергетического положения уровней вакансий в кремнии.
31
Методические достижения последнего десятилетия связаны прежде всего с развитием метода функций Грина применительно к решению одноэлектронного уравнения Шредингера с короткодействующим потенциалом Слэтера-Костера [2, 23].
Основная трудность, долгое время не позволявшая продвинуться в решении этого уравнения, связана с тем, что в отличие от мелких уровней, волновые функции которых хорошо локализованы в К -пространстве и привязаны к экстремумам какой-либо одной зоны, что позволяет воспользоваться приближением огибающих, резко упрощающим вычисления, в случае глубоких уровней такая локализация отсутствует. Тем не менее, сочетание возможностей вычислительной техники с полуэмпирическим подбором некоторых параметров модели позволяет проводить расчеты параметров ГУ, создаваемых точечными дефектами кристалла и их комплексами. Например, в работе [23] вариационный метод функций 1 рина применен для расчета локализованных состояний, лежащих вне разрешенных энергетических зон кристалла-матрицы, в алмазоподобных полупроводниках. Подход основан на сочегании метода Слэтера-Костера с полуэмпирическим методом эквивалентных орбиталей. Авторами [23] получена зонная структура кремния в рамках приближения сильной связи, описано применение разработанного варианта метода функций Грина в базисе из эквивалентных орбиталей для расчета параметров глубоких локализованных состояний в кремнии, в том числе комплексов дефектов (дивакансий, ^-центров и т.д.).
Особый случай, когда все состояния в зоне оказываются локализованными, рассмотрен Ф.Андерсоном [24 ]. Он использовал приближение сильной связи для описания движения электрона в поле потенциальных ям различной глубины, сформулировал и предложил доказательства теоремы об отсутствии диффузии в случайных решетках неупорядоченных структур, доказал существование локализованных состояний в модели случайного ноля. В результате был получен количественный критерий локализации, зависящий от координационного числа, при выполнении которого все состояния в зоне оказы-
32
ваются локализованными. Волновые функции этих состояний, как и в ранее рассмотренных моделях, описываются убывающей экспоненциальной функцией [25-29].
Локализованные состояния в неупорядоченных материалах представляют собой обычные ловушки, рассматриваемые в физике реальных кристаллов с примесями и дефектами [30]. Отличие заключается в том, что локализованные состояния в неупорядоченных материалах могут быть присущи структурным единицам самого вещества [6]. Одно из определений дефекта структуры неупорядоченного материала гласит, что дефект - это нарушение в первой координационной сфере атома или иона.
В монографии [6] проведено сопоставление энергетического спектра электронов и дырок для неупорядоченных и кристаллических изоляторов и полупроводников. Как видно из рис. 1.6, спектр фундаментального поглощения неупорядоченного изолятора и полупроводника может иметь размытую структуру, а край поглощения сдвинут в длинноволновую сторону по сравнению с краем поглощения соответствующего кристалла. Эти эффекты во многих случаях зарегистрированы экспериментально.
Таким образом, прогресс в теоретическом описании и понимании физической природы глубоких уровней связан прежде всего с развитием численных методов решения сложных задач моделирования энергетического спекгра материалов разной степени упорядоченности, содержащих дефекты структуры.
1.3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ГЛУБОКИХ ЦЕНТРОВ В КРЕМНИИ И ПЛЕНКАХ 5702 МОП-СИСТЕМ
Для описания глубокого центра обычно используются следующие параметры:
33
Схема зон плотности состояний неупорядоченного материала [29]
Плотность состояний Рис. 1.6
у — валентная зона; с — зона проводимости; Е-0 — уровень вакуума. Заштрихованная часть — локализованные (дискретные), неза-штрихованная — непрерывные состояния, пунктир — схематическое изображение плотности состояний для кристалла. Ес и Еу — дно зоны проводимости и потолок валентной зоны кристалла и пороги подвижности для неупорядоченного материала соответственно
34
- энергия ионизации AEt по отношению к дну зоны проводимости Ее для донорных уровней ( АЕ, = Ее - Et, где Е, - энергетическое положение центра в запрещенной зоне материала) или по отношению к потолку валентной зоны Ev для акцепторных уровней ( AEt - Ev + Et );
- концентрация Nt\
- скорости тепловой эмиссии для элекфонов еп и для дырок ер\
- сечения захвата для электронов сг„ и для дырок <ур.
Сечение захвата на центр в значительной мере зависит от его зарядового состояния. Б [39] приведены значения сечений захвата для притягивающего кулоновского центра ~10'14 см2; для нейтрального - 10'17-10'16 см2; для
1Q ГУ
оггалкивающего - 10' см.
Разработано значительное количество методов экспериментального исследования параметров ГУ. Это не позволяет в рамках настоящего раздела привести даже краткую их харакгеристику. Поэтому, разделив условно существующие методы на четыре группы, мы приводим лишь их названия с указанием литературных источников, где эти методы описаны (рис. 1.7). Предлагаемая здесь классификация, по-видимому, не являегся исчерпывающей. Можно, например, разделить экспериментальные методы по характеру изменения параметров во времени: стационарные и релаксационные; по характеру изменения температуры: изотермические и неизотермические и т.д. В дальнейшем нами будут рассмотрены основные физические принципы методов изучения параметров глубоких центров, которые использованы в настоящей работе.
Рассмотрим опубликованные в литературе результаты исследования параметров ГУ в кремнии и пленках термической двуокиси кремния, группируя данные по отдельным типам дефектов структуры, аналогично подходу, использованному нами в [33].
Методы исследования параметров ГУ в полупроводниках и диэлектриках Электрические Фотоэлектрические Оптические Радиочастотные
Эффект Холла* [1, 36-40, 63]
— Эффект Нернста-Эггингаузсна* (1, 40]
— Термостимулированный ток (ТСТ) [39-44]
— Термостимулироваш1ая поляризация (ТСП), деполяризация (ТСД) [39-45]
— Вольт-амперные характеристики (ВАХ) [1,37, 38, 40-45,47, 47]
— Термо-эл.с* [38, 40]
— Релаксационная спскгроскопия глубоких уровней (РСГУ, ОЬТЭ) [2, 3, 49-51, 62]
— Частотная спектроскопия глубоких уровней (ЧСГУ)* [52]
— Поверхностно-барьерная неустойчивость* [52, 293-297]
— Спскгроскопия низкочастотного шума* [49, 50, 52-54, 305, 306, 377-383]
— Фотопроводимость и фото-эмиссия [3, 6, 55, 56]
— Электроотражение [48]
— Термостимулированная люминесценция (ТСЛ) [39-44, 57]
— Спектроскопия ИК поглощения и отражения [6, 40,48, 58, 59,61]
— Исследование квантового выхода [38, 40]
— Рентгеноскопия [37, 38, 40]
— Элекгронно-оптичес-кие [37, 38, 40]
— Эффскг Фарадея* [38, 40]
— Электронный парамагнитный резонанс (Э11Р [38, 60]
СВЧ
— Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) [2]
Рис. 1.7
Примечание. *) Методы применяются для определения параметров ГУ в полупроводниках