Особенности распределения заряженных центров в области пространственного заряда оптоэлектронных структур при их формировании, термополевых и радиационных воздействиях

2
содержание:
ВВЕДЕНИЕ............................................. 7
ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ВЗАИМОСВЯЗИ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОПТО-ЭЛККТРОННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУРИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ В НИХ ЗАРЯЖЕННЫХ ЦЕНТРОВ 20
1.1. Полупроводниковые структуры некогерентного излучения и
их свойства....................................... 20
1.1.1. Конструктивно технологические характеристики и свой -
сгва излучающих структур, природа и параметры дефектом в них............................................... 20
1.1.2. Изменение характеристик, концентрации заряженных
центров г, светодиодных структурах при длительном про текании прямого тока ................................ 41
113. Модели механизмов деградации светодиодных структур при
протекании прямого тока................................. 34
1 1 4 Влияние нысокоэнергетических частиц на параметры из -
думающих полупроводниковых структур..................... 60
1.18. Выводы и определение проблем............................. 66
1.2. Фото чувствительные поликрисгашшческие структуры и их
свойства................................................ 68
1.2.1. Ме тоды і юлучения поликрисгаллических слоев сульфида
свинца и свойства фоточувствительных структур »и их основе.................................................... 69
1.2.2. Влияние термо по левых воздействий на распределение за-
ряженных центров и характеристики фоточувегвит«jіьніях поликристалличоских пленок сульфида свинца.............. 70
1.2.3. Изменение свойств поликрисгаллических фоточупсгви-
тельных пленок при действии радиационного излучения 76
з
1.2.4. Выводы и определение проблем.......................... 79
1.3. Выводы и постановка :«чдач............................ 80
ГЛАВА II. МЕ'ЮДЫ ЭКС11 НИИ МЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 82
2.1. Обзор вольт-фа родных методов исследования параметров
и распределения заряженных центров в полупроводниках и полупроводниковых структурах.......................... 82
2.2. Разработка ориї инальных методов измерения параметров и
характерист ик полупроводниковых структур ............ 86
2.2.1. Метод измерения распределения эффективной концентра
ции заряженных центров в полупроводниковых структурах и устройство для ого реализации................ 86
2.2.2. Мегод измерения параметре заряженных ценгров в полу
проводниках и полупроводниковых структурах.......... 93
2 2.3. Метод измерения вольт-амперных характеристик и их па -
рамстроь............................................ 99
2.3. Выводы.................................................. 102
ГЛАВА III. ХАРАКТЕРИСТИКИ ОВЕТОДИОДІ1ЫХ СТРУКТУР И ООО БЕННОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ В НИХ ЭФФЕКТИВНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЦЕНТРОВ ПРИ ТЕРМОПОЛЕВЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ ........................................................................ 104
3.1. Конструктивно -технологические параметры и харак тери -
стики исследуемых структур.............................. 104
3.2. Влияние длительного высокотемпературного воздействия и
протекания прямого тока на свойства светодиодіп.гх структур на основе ОаР, А1хОа| _*А.з............. 118
3.3. Изменение распределения эффективной концентрации за -
ряженных центров и характеристик светодиодных структур на основе ОаР. АІхСжЦ-хАз при формировании омических контактов............................................... 132
4
3.4 Свойства гетеросгруктур ri - А1ХС}аt _xAs(Te)/p- GaA.s(Ge) и распределение в них эффективной концентрации задожен
ных центров................................................ 144
3 4 1 Распределение эффективной концентрации заряженных
центров ................................................... 144
3.4.2. Природа крааюго свечения в инфракрасных і'стеросгрук-
турах n- Alo.3sOao.6&AsCre)/p-GaAs(Ge)..................... 153
3.4.3. Перенос тепла в области гетероперехода инфракрасных
структур n-Al03sGao<»As(Tc)/p- GaAs(Ge).................... 156
3.5 Свойства высокоэффективных излучающих AlxCai_xN/
iHyGa^yN/ GaN і'етеїххлрукіур с кванчовыми ямами и осо бедности распредеж.чшя в них ckJxJxjkj ишой концентрации ^тяженных центров...................... 159
3.5.1. Спектра льныо харякюрист ики а« ггадиодных структур 15.9
AlxGai-^N/IriyGiii-yN/GaN с квантовыми ямами............
3.5.2. Электрофизические характеристики......................... 169
3.5 3 Физическая модель гетероогруктур A]xGa:_xN/ ІПуСа,.
yN/GoN с квантовыми ямами и распределение в них зффек -тивной концентрации электрически активных центов в об
ласти щ-х)странстонного заряда ............................ 175
3.6. Выводы................................................... ) 89
ГЛАВА IV. ИЗМЕНИ HUE ПАРАМЕТРОВ СВЕТОДИОДНЫХ СТРУКТУР И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЦЕНТРОВ В ОБЛАСТИ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ЗАРЯДА ПРИ ДЛИТЕЛЬНОМ ПРОТЕКАНИИ ПРЯМОЕО ТОКА........................................................... 191
4.1. Влияние длительною протекания прямою тока на элек-трофизические характеристики гетероструктур
n AlxGai xAs(Te)/p-GaAs(Ge)................................ 191
4.2. Изменение распределения эффективной концентрации за-
5
раженных центров в области пространственного зі ряда светодиодных структур на основе GaP..................... 204
4.3. Изменение характеристик и распределения эффект квной
концентрации заряженных центров в области пространст-венного заряда в светодиодных струк-г/рах AlGaN/lnGaN/GaN с кзантовыми ямаші ..................... 209
4 4. <Ьеномснолоі -ичсская мод«; ль механизма образоваї іия то -
чечных дефектов кристаллической решетки при воздействии горячих носителей за^да............................. 215
4 5 Прохождение горячих электронов через потенциальный
барьер в гетеропереходе n+- AlxGa,-,As/p - C3aAs ....... 230
4.6 Вьгооды................................................. 234
ГЛАВА V. ОСОБЕННОСТИ РАСІ ІРКДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ЦП ІТРОВ В ПОЛИ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ФОТО ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ПЛЕНКАХ СУЛЬФИДА СВИНІ \А 236
5.1. Распределение элементного, фазовою состава и электри-
чески активных центров в фоточувсгвительньгх пленках сульфида свинца......................................... 236
5 2. Механизм возникновения и релаксации фотопроводимости.
Физическая модель фоточувствителъной поликрисгалличе-ской пленки............................................. 243
5.3. Влияние особенностей распределения эффективной кон-центроции заряженных ценгров и параметров кристаллиюв
на свойства поликристаллических пленок................ 251
5.4. Выводы ................................................. 257
ГЛАВА VI. ИЗМПІіение РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ЦЕНТРОВ В ОІ ГЮЭ Л ККТРОННЫХ СТРУКТУРАХ
И ИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИ РАДИАЦИОННЫХ ВОЗДЕЙ -СТВИИЯХ................................................. 259
6.1. Мегодихи радиационных воздействий....................... 259
е
6.1.1. Создание радиационных дефектов в поликристаллических
пленках и светодиодных структурах воздействием быстрых электронов и гамма-квантов ............................. 259
6.1.2. Создание радиационных дефектов в поликристаллических
пленках методом ионной имплантн!ш..................... 261
62. Изменение распределения эффективной концентрации за-
ряженных цегггров в области просгранствегаюго гиря да светодиодных структур и их характеристик при создании в них радиационных дефектов............................... 266
6 2.1. Измемяше свойсгв светодиодных структур при воздействии
быстрых электронов и гамма - квантов.................... 266
6.2.2. Изменение свойств светодиодных структур при гамма-
нейтронном облучении.................................... 279
6 3. Закономерности изменении ха1?актеристик и ре<л [peдeJ юния
заряженных центров в фоточувствитслыгт пленках сульфида свинца при избирательном введении радиациошллх дефектов................................................ 284
6 3.1 Механизм изменения характеристик фото чувствительных
пленок сул1.фида свинца при соэдлюш радиационных дефектов в лока;о,ных Ужастях методом ионной имплантации 284
6.3.2. Механизм изменении харакчерисл ик фоточувсгвитежлых пленок сульфида свинца при создании радиационных де
фектов быстрыми электронами и щютонами.................. 2Э6
64 Выводи .................................................. 302
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ........................... 304
ЛИТЕРАТУРА.............................................. 309
7
ВВЕДЕНИЕ
Полупроводниковая электроника базируется, как правило, на исполню вании свойств неоднородных как по степени легирования, так и по химическому ахлаву полупроводников и полупрово/цгкковых структур (ПС), <жтивпым элементом которых является переходная область с большим градиентом концентрации примеси, ;гибо химическою состава полупроводника. Основным требованием к ПС является повторяемость свойств при изготовлении и стабильность их характеристик и параметров при эксплуатации, хранении и воздействии внешних энергетических факторов, таких как температура, ионизирующее излучение и облучение высикоэнерютическими частицами.
Причина разброса исходных параметров и характеристик ПС и их нестабильности при эксплуатации и внешних воздействиях влияние факторов нагрузки на распределение электрически активных центров, изменение электрической активности и свойств точечных дефектов полупроводника, а также состояния его кристаллической решетки. В процессе эксплуатации протекание тока и высокие электрические поля в переходных областях приводят к необратимому изменению свойств ПС. Проблема деградации их свойств в последнее время интенсивно изучается, однако общая концепция еще до конца не разработала и необходимы дальнейшие исследования.
Наиболее нестабильными в поведении основных параметров являются полупроводниковые остоэлектронные структуры (ПОС) и приборы, особенно иолккрисгалличоские резисторные фотоприемнихи и светоизлучающие ДИОДЫ (СД) некогерен’пюю и Koicpcimioro излучения.
Несмотря на очевидность взаимосвязи свойств ПОС и особенностей характера распределения эффективной концентрации заряженных центров (ЭКЗЦ) в переходных областях ПОС систематические детальные экспериментальные исследования распределены в них ЭКЗ! ( с усреднением по глубине порядка нескольких периодов решетки практически не проводились.
8
Проведенный анализ работ указывает на необходимость зксперимеїггаль-ных исследований в этом направлении, уг лубления -теоретических представлений о закономерностях взаимосвязи свойств ПОС и пространственного распределении электрически активных центров. Кроме того, такие исследования требуют разработки соответствующих методов, обладающих возможностями Применения в физических лаборхаториях и га производстве.
Цель работы : установление причин и механизмов нестабильности и особенностей пространственного распределения электрически активных центров в области пространственного заряда полупроводниковых оптоолектронных структур при их формировании, термополевых и радиационных воздейсі'виях
ІІ^ВіЮст>іжсШйі]<хтамшіоюіедишедспшікір.'Шію:ь.слс.ду-юцціе.зада.чи:
1. Провести экспериментальные исслсдоваївія распределения ЭКЗЦ в области пространственного заряда (0113) ПОС с констр>укіивію-теяюлогичоскими различиями для установления общих закономерностей их взаимосвязи со свойствами структур.
2. Провести сравнителыплй анализ теоретических и экспериментальных характеристик ПОС для выявления факторов и причин, влияющих на их параметры.
3. Провести экспериментальные исследования влияния режимов работы и внешних воздействий на свойства ПОС и распределение ЭКЗЦ в ОПЗ.
4. Установить причины необратимых и обратимых изменений характеристик и гкфаметров ПОС. возникающих в результате термополевых воздействий.
5. Развить модельные представления о структурных и электрофизических ос-обешюотях ПОС на основании экспериментально-теоретического анализа взаимосвязи их свойств и распределения ЭКЗЦ.
6 Разработать методі,і и устройства для экспериментального исследования распределения ЭК311 в ОПЗ и их параметров в 11С.
Научная новизна работы состоит в развитии и обобщении физических
9
представлений о взаимосвязи характеристик и параметров полупроводниковых оптоэлектронных структур с характером распределения в них эффективной концентрации заряженных центров и их свойствами.
К наиболее существенным результатам, представленным в диссертации, относятся:
1. Результаты экспериментального исследования изменения распределения эффективной концентрации электрически активных центров в 0113 светодиодных структур (СДС) вследствие длительного протекания прямого тока: в легированной области активного слоя СД і'етерострукгур с разрывом краев зон и компенсированной областью вблизи р-п перехода іиблюдается изменение распределения ЭКЗЦ в слое шириной порядка длиіп.і свободного пробега электронов; причиной изменения распределения концентрации электрически ак тивных центров является образование -точечных дефектов в результате кине тического рассеяния юрячих носителей заряда, образующихся на границе разрыва зон гетероперехода и и дрейфовом поле компенсированного слоя.
2. Явление подпорогового дефектообраэованмя при взаимодействии горячих электронов с атомами кристаллической решетки; установлен механизм дефектообразования при взаимодействии горячих электронов с атомами решетки полупроводника; получены аналитические зависимости, устанавливающие взаимосвязь между концентрацией смещенных атомов, распределением кинетической энергии юрячих электронов, плотностью их потока и временем протекания, определены условия проявления этого механизма.
3. Результаты экспериментального исследования особенностей распределения ЭКЗЦ в ОПЗ вблизи г раницы раздела областей с высоким градиентом концентрации и химического состава полупроводниковой структуры; вияв лено наличие компенсированных областей вблизи металлургической границы р-п переходов, поверхностей полупроводниковых кристаллов; обсуждена
10
природа и определено влияние этих областей на свойства полупроводниковых структур;
4. Результаты анализа взаимосвязи распределения ЭКЗЦ в ОПЗ светодиодных гетероструктур на основе АІ^Оа, ^/І^Са, уЫ/СаЫ с одной (ОКЯ) и множественными (МКЯ) квантовыми ямами (активным слоем) и их высокой квантопой эффективности; разработана физическая модель светодиодных структур ЛІра^/Мпра, ^М/СЗаЫ с квантовыми ямами.
5. Результаты экспериментального исследования влияния условий формирования омического контакта на іхіспрсдєлспис ЭКЗЦ в ОПЗ светодиодных структур на основе СаР и СаЛз; обнаружено изменение градиента концентрации заряжегшых центров в ОПЗ СДС после формирования омических контактов; установлены причини наблюдаемого изменения;
6. Результаты анализа взаимосвязи особонностой электрофизических характеристик и распределения ЭКЗЦ в фоточувствительных поликрметаллических пленках сульфида свинца; свойсгва фоточувствитель ных пленок сульфида свинца, изготовленных по различным технологиям определяются неоднородностью распределения донорно-акцепторных центров по площади и толщине пленок, потенциального рельефа, наличием продольных каналов протекания темпового и фототока по уровню протекания, а также продольных и поперечных рекомбинационных барьеров.
7. Неразрушающий метод и его математический аппарат исследования распределения ЭКЗЦ в ОГ13 ПС (авторские свидетельства N>*1087002 и №1316485). основанный на измерении параметров динамической барьерной емкости; создан макет установки для реализации метода.
8. Неразрушающий метод и его математический аппарат для определения параметров электрически активных цеіггров в ОПЗ ПС. основанный на измерении температурно - частотой зависимости параметров динамической барьерной емкости, сюздан макет устройства для его реализации.
проведенных исследований состоит в разработке
11
неразрушающет метода и его математического аппарата . а также макета устройства для измерения распределения концентрации заряженных центров в области пространственного заряда полупроводниковых структур (р-п переходов, барьеров Шоттки, МДП структур) (а. с.№1087002, а.с №1316485). Метод и устройство для его реализации могут быть использованы при проведении как научных исслсдовашта, так и при контроле тех}-ологических операций в промышленных условиях.
Для определения параметров электрически активных центров разработан метод и его математический аппарат. Метод предназначен для исследования свойств электрически активных центров как с мелким (<0.1 эВ). так и глубо ким расположением уровней в запрещенной зоне.
Порученные эксиеримннгальные результаты и выводы по влиянию ]х:жимов работы структур на распрсделсшю электрически активных центров в области простршсгвенного заряда и их характеристики могут бьггь использованы при проектировании СД структур и полупроводниковых лазеров.
Полученные в диссертационной работе результаты и разработанные методики испот.зуюгся в научных и учебных лабораториях и в учебных курсах 'Физика твердого тела*, "Онтоэлектронные полупроводниковые приборы", в постановке и выполнении дипломных работ кафедры полупроводниковой электроники и физики полун|х>водников, материаловедения полупроводников.
Рсжшые положения и результаты, выносимые, на защиту:
1. Экспериментальные результаты исследования причин и механизмов особенностей распределения эффективной концентрации электрически активных центров в СДО. Существенные изменения в распределении ЭКЗЦ в ОПЗ СДС за времена порядка 100-1000 часюв происходят в результате воздействия ямехжих температур, когда проявляются механизмы диффузии; при умеренных текшературах изменения в распределении ЭКЗЦ происходят при пропускании тока, когда напряженность электрическо! о ноля в областях с повышенным сопротивлением достигает значений, при которых происходит
12
разогрев носителей заряда Повышение эффективности СДС на начальной стадии старения связано с изменением соотношения между концентрациями избыточных дефектов, обусловленных технологическими воздействиями (технологические дефекты), и избыточных дефектов, возникающих вследсгвие протекания тока (динамические дефекты), когда время существования технологических дефектов меньше времени существования динамических дефектов
2 Механизм подш^хлт!В01 о дефектообразонании при взаимодействии горячих электронов с атомами кристаллической решетки. При рассеянии горячих носителей заряда, образующихся в области разрыва краев зон гетероперехода или в дрейфовом ноле компенсированного слоя р 1 п структур, образуются пары Френкеля и преобразуются комплексы вследствие передачи атомам энергии смещения горячими носителями заряди с температурой Т.; временная зависимост ь избыточной концентрации неравновесных дефектов определяется временем их существования и плотностью тока, а пространственное распределение - механизмом раэо! рева носителей заряда и технологическими особенностями переходной обласги полупроводниковой структуры.
3. Физическая модель высокоэффективных светодиодных гетероструктур на основе гетеропереходов А1хОа. ^/Ъ^Са, синег о и зеленого диапазонов
спектра. При формировании этих структур па границах гетеропереходов с легированными п и р-областями самопроизвольно образуются широкие компенсированные области и заряженные ‘стенки* из за диффузии примес-ных центров к границам гетеропереходов, вызванной деформационным потенциалом на границе А1хСа, д^1пуОа, Вследствие образования I гротиво! ю ложно заряженных близко расположенных 'стенок' в активном слое 1пгСа,_.Ы возникает высокая напряженность электрического поля (порядка 10е В/см) и создаются условия эффективной двойной икжекции в нее электро -ков и дырхж. Это гсри&од:гг к 100% гцююбрапогинию рекомбинационного потока
13
в излучение. Энергия квантов определяется шириной запрещенной зоны 1п Са, уЦ (долей 1п). Снижение внешнего квантового выхода наблюдается при появлении туннельной или диффузионной составляющих в прямом токе.
4 Механизм пробойной электролюминесценции в высокоэффективных светодиодных структурах Л1жСа, ^Ы/Шра, синего диапазона спектра
с ОКЯ. обусловленный особенностями распределения ЭКЗЦ. При приложении обратного напряжения смещения около или больше ЗЕJc^ (Б,.- ширина запрещенной зоны АЮа, ) возникает электролюминесценция с уширенным
спектром, которая вызвана рекомбинацией электронно- дырочных пар на краях области пространстве!того заряда пне ОПЗ. возникающих в результате удар -ной ионизации протушелирэвавшими и ускоренными в поле активного слоя порядка 10у В/см носителями заряда В спектре люминесценции обнаружены дефектные ники, интенсивность которых изменяется б процессе деградации оютодиодов и изменения распределения ЭКЗЦ.
5. Результаты анализа влияния протекашш тока через СДС на изменение характера распределения в них ЭКЗЦ и конце!г^юции точечных дефектов. При высоких плотностях тока в режиме прямого смещения СДС. когда П>Фк, в них в результате рассеяния кинетической энергии горячих носителей заряда образуются точечные дефекты и преобразуются комплексы в компенсированном слое и легированной области шириной порядка длины свободного пробега носителей заряда, приводящие к уволичшгою степени компенсации материала и деградации основных параметров СДС.
6 Физическая модель фоточувствительных структур на основе подикристаллических пленок сульфида свинца. При высокотемпературной выдержке в кислородосодоржащей среде поликрксталлические пленки приобретают квазиупорчдочеиную продольную р’-р-1-п структуру с развитым пространственно-неоднородным потенциальным рельефом а сильно легированном п-слое. Образование р*- р-1 слоя и развитие потенциального рельефа п-слоя связано с дис|)фузией свинца к поверхности
14
пленки и образованием его вакансий в тонком приповерхностном слое, появлением поверхностных уровней акцепторного типа с высокой концентрацией Протекание тока по слоям происходит по механизму иерколяционной электропроводности. Энергетические параметры температурных зависимостей темновой проводимости, фотопроводимости, постоянной времени фотоответа и эффективной концентрации основных носителей заряда определяются ооот ношением размеров зорен кристаллитов и ширины области пространственного заряда в кристаллитах.
7 Результаты анализа влияния высокотемпературного воздействия и технологических условий при формировании омических контактов к СДО на их характеристики и распределение ЭКЗЦ в О! 13.11ри формировании омических контактов при воздействии температуры 450-75(ГС изменения в распределении ЭКЗЦ происходят в структурах, содержащих цинк или при подлегировании поверхности цинком. Основные эффекты высокотемпературного подлегирования - уширенис компенсированного) слоя и снижение квантовой эффективности - связаны с аномально высокой скоростью диффузии цинка в материалах АШВ'/.
8, Результаты анализа влияния облучения высокоэнергетичеокими частицами -электронами, протонами, гамма-квантами, ускоренными ионами. - на распределение и параметры электрически активных центров в области пространственного заряда СДС и фоточувствительшях поликристалличоских пленок РЬБ. При облучении СДС основные изменения в распределении ЭКЗЦ происходят вблизи компенсированного слоя. Образование точечных дефектов приводит к компенсации материала активного слоя и образованию безызлучательных центров. Заметные изменения в распределении ЭКЗЦ легированных слоев происходят при высоких интегральных потоках электронов и дозах гамма-квантов, когда излучательные свойства СДС подавляются полностью.
В поликристалличссккх фоточувствительных пленках эффект действия
15
вышкоэнергетических частиц определяется областью локализации дефектов. Приповерхностный р*-р слой является наиболее чувствительным к образованию дефектов вследствие разрушения центров, создающих поверхностные уровни акцепторного типа, уменьшения поверхностного потенциала и росла по зггой причине скорости поверхностной рекомбинации избыточных носителей заряда.
9. Метод изморешя распредели гия ЭК311 в ОПЗ I 1С и устрюйсгво для его реализации. При модуляции ширины ОПЗ полупроводниковых структур, эквивалентно представляющей собой барьерную емкость, модулированным гармоническим зарядом смещения постоянной амплитуды, образуется динамическая барьерная емкость, по параметрам которой определяется концентрация заряженных центров на краю ОПЗ при заданном смещении с усреднением но глубине профиля до 10 см Глубина залегания профиля определяется по параметрам квазипостоянной барьерной емкости. Непрерывный профиль ЭКЗЦ получается при изменении напряжения смещения.
10. Метод измерения параметров заряженных центров в ОПЗ ПС. При изменении температуры полупроводниковой структуры изменяется инерционность перезарядки центров, определяющих параметры динамической барьерной емкости, энергетический уровень которых совпадает с уровнем Ферми в ОПЗ, и как следствие возникает температурная зависимость ЭКЗЦ. По температур -ной гевисимости концентрации заряженных центров нрификсировшшой частоте измерительного гармонического сип [ала определяется энергия ионизации центров и сечете захвата на гак носителей заряда. Использование малого гармонического сигнала с частотой порядка Ы0я-Ы0* Гц позволяет исследовать центры с энергией ионизации меньше 0.1 эВ в локальных сочениях 0113 с усреднением их концентрации по глубине до КГ7см
Апробация работы. Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, и ее научные положения докладывались и обсуждались на следующих конференциях, совещаниях и семинарах: II Всесоюзная конферотщя
16
но физике и технологии гонких пленок. Ивано-Франковск, 1984, май; Вторая Всесоюзная конференция 'Материаловедение хнлькогенидных и кислородосодержащих полупроводников*. Черновцы. 1986. октябрь; научно техническое совещание "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах", п.Черноголовка московской обл., 1990. ноябрь; Т{х?гья Всесоюзная конференция "Физические основы надежности и деградации полупроводниковых приборов", Кишинев, 1991, май. Трелю Всесоюзное совещание "Физические основы деградации и надежности полупроводниковых приборов*. Москва, 1991, октябрь; научно-техническая конференция 'Физические основы деградации и надежности полупроводниковых приборов и интегральных схем*. Нижний Новгород-Астрахань, 1992 г.; Межрегиональная научно-техническая конференция "Комплексное математическое и физическое моделирование, обеспечение надежности электронных приборов и аппаратуры*, Бердянск. 1994. сентябрь; VI межотраслевой семинар 'Радиационные процессы в электронике*. Москва. МИФИ. 1994; III Всесоюзная конференция по физике поверхностных явлений в полупроводниках. Киев. 1994 г.; V Международная конференция по физике и технологии тонких пленок (МКФТТП V). Ивано-Франковск, 1995; научно-технический семинар ‘Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах". Москва. МЭИ. 1964.1995,1996 годы; международный научно-технический семинар 'Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах*, 1997 г ; Первая Всероссийская конференция по материаловедению и физико -химическим основам технологии получения легированных кристаллов кремния ("Кремний- 96*). Москва, МИСиС, 1996, ноябрь; научно-техническая конференция "Моделирование электронных приборов и техпроцессов, обеспечение качества и надежности аппаратуры" (Моделирование приборов и техпроцессов - 96). Севастополь, 1996. 6-13 сентября, международная научно-техническая конференция "Конверсия, приборостроение, рынок*. Суздаль, 14 16 мая 1997 г.; 1 е Всероссийское совещание * Нитрид галлия - структуры и приборы*. Москва. МГУ
17
им. М.В.Ломоносова, 2 июня 199'/ г.; 2-о Всероссийское совещание 4 Нитрид галлия, индия и алюминия - структуры и приборы*, Санкт- Петербургский Технический Университет. Санкт-Петербург, 2 июня 1998 г.; III Российская конференция по физике полупроводников "Полупроводники'97*. Москва. ФИАН, декабрь 1997 г.; 23-rd Int. Symp. Semic.Сотр.,ISCS 23Si Petersburg. September 139G; Mat. Res. Soc. 1996, Fhll Meeting, Boston, dcccmbcr 1996; Second European GaN Workshop. 11-13 June 1996, Valboiuie . France; Meeting of Electrochem. Soc., Patis, September 1997. MRS Meeting, Tbcushima. Japan, october 1997; Mat. Res. Fall Meeting, Boston, dosember 1997, Second Symposium on III—V Nitride Materials and Processes, Pennington, 1998; The Third European GaN Workshop HOW-3, Warsaw, June 22-24,1998.
работ приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка литературы из 286 наименований. Объем диссертации 335 страниц, включая 118 страниц рисунков.
сведения по структурно - технологическим параметрам 1 IOC при их формирова нии, материалы экспериментальных и теоретических исследований деградационных процессов и механизмов образования дефектов в полупроводниковых структурах при термополовых и радиационных воздействиях На основании этого анализа определена цель и поставлены задачи работы.
Во второй главе проведен сравнительный анализ существующих методик измерения распределения эффективной концентрации заряженных центров в области пространство!пюго заряда полупроводниковых структур и их параметров, представлена методика измерения распределения ЭКЗЦ в ОПЗ полупроводниковых структур, с помощью которой проведены экспериментальные исследования, описано устройство для ее реализации. Описана методика
! Iotomc диссертации опубликовано 54 работы. Список основных
посвящена анализу литературных источников, содержащих
18
измерения ВАХ и фактора нецдеалыюсги ВАХ
В третьей главе представлены результаты исследования изменения распределения ЭКЗЦ и параметров СД на основе ОаР зеленого, желтото и красного свечения и А^Са,^ красного и инфракрасного диапазонов спектра после длительного воздействия температуры от комнатной до 100°С, протекания прямого тока плотностью до 25 МЫ, проведения технологической операции формирования омических контактов. Выявлены основные причини изменения распределения ЭКЗЦ при этих условиях. Исследованы свойства и разработана физико- технологическая модель высокоэффективных СД структур на основе СаЦ В четвертой главе представлены результаты измерения распределения ЭКЗЦ в излучающих структурах после длительного пропускания прямого тока. Выявлены режимы, при которых наблюдается существенное изменение концентрации заряженных центров в прилегающих к р п переходу легирован нъгх областях. Получены количество тис характеристики распределения ЭКЗЦ и измерены параметры образующихся заряженных центров. Разработана феноменологическая модель образования неравновесных точечных дефектов при протекании через р- и переход прямого тока.
В пятой главе представлены и проанализировал* результаты изучения фаэово- элементного состава и структуры поликристаплических пленок суль фида свинца до и после высокотемпературной выдержки в кислородосодер-жащей среде. Выявлена взаимосвязь изменения распределения эффективной концентрации заряженных центров и фоточулстнительных свойств поликристалличоских пленок.
В шестой 1 лаве представлены результаты исследования электрофизических и фотоэлектрических характеристик ПОС при введении в них радиационных дефектов Измерены распределения ЭКЗЦ заряженных центров после радиационного воздействия. Установлены закономерности изменения ЭКЗЦ вОПЗ ПОС при радиационных воздействиях.
В основных выводах и заключении сформулирокп 11.1 основные результаты
19
диссертационной работы.
Измерения и обработка экспериментальных данных спектров электролюминесценции, распределения ЭКЗЦ, вольт амперных и вольт фарадных характеристик проводились с использованием программы Огідіп 4.0.
Расчеты но аналитическим зависимостям проводились с использованием программы Ма№сас1 7.
20
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ВЗАИМОСВЯЗИ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР И ОСОБЕННОСТЕЙ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ В НИХ ЗАРЯЖЕННЫХ ЦЕНТРОВ
I 1 П< иіуі іроводниковьіе структуры некогерентного излучения и их свойства
1.1.1. Конструктивно-технологические характеристики и свойства излучающих структур, природа и параметры точечных дефектов в них
Первые систематические исследования излучающих диодных структур начались около тридцати лет назад [1]. Уже тогда проявилась проблема оптимизации параметров светодиодов и стабильности их свойств как на стадом создания, так и в процессе работы.
В этом направлении можно выделить три части. Во-первых, это усовершенствование технологии получения материалов для излучающих ст руктур. Во вторых, поиск оптимальных контруктивно-технологических решений с целью приближения параметров излучающих структур к теоретически возможному. И наконец, проблема стабильности параметров излучающих структур как на стадии изготовления, так ив процессе их активной работы 11о мере усовершенствования технологии получения материалов и конструктивно-технологических параметров наибольшую актуальность приобрела проблема стабильности ха{)акторис.тик.
Спектр применяемых для излучающих полупроводниковых структур материалов постоянно растет, но в настоящее время широко используются полупроводниковые соединения СЗаЕ ОаАв. А1ра,_ Аі> Кроме того продолжаются |иботы по исследованию промышленного использования карбида кремния. Высокоэффективные структуры желтого, зеленого, оранжевого и красного диапазонов спектра получены на основе соединений А1ра, х у1пуР [3,3]. (За^п, хАч, уРу[4] и других, рис. 1.1.
21
Рис. 1.1. Диаграмма спектрально-яркостеого диапазона светодиодов на основе различных материалов
Ь, кд
10.00 1.00
о.ю
0.01
400 00 450.00 500.00 550.00 60000 650.00 70000
С ■) 1 О АЮа О А*(ДГС) о
ОаАШ I *1 * N№3 1% > АЮа1пР О О С ОаАвР 1 ) 1 •
Б|С О , GaPN 1
1 ■ ' 1 1 ' 1
X. нм
22
В последние два-три года в оптоэлектронике излучающих структур произошла революция в связи с началом промышленного производства высокоэффективных светодиодов зеленого и синего спектров ка основе нитрида галлия и растворов 1пуОа, .М Достаточно сказать, что за это время
число публикаций по тематике, связанной с технологией получением нитридных соединений и структур на их основе, возросло на несколько порядков!
Начало развития промышленного использования светодиодов связано с фосфидом галлия. Электрофизические и физико-химические свойства СаР подробно рассмотрены в литературе [1.5]. Несмотря на то. что это полупроводниковое соединение непрямозокное, введение в него ряда примесей таких как аэот, цинк, кислород, позволяет получить интенсивную люминесценцию н зеленом и красном диапазонах спектра. Нужно отметить, что промышленно ломаемые монокристаллы СаР характеризуются большим содержанием неконтролируемых фоновых примесей (примерно 5-1016-5-10'7 см '3), поэтому для производства электрхшюмипссцагтпых приборов такие кристаллы не используются, и широкое применение получил метод эпитаксиального выращиваю« [6].
В одной из ранних работ [7] наблюдалась слабая электролюминесценция в СаР при прямом смещении р-п перехода. Дальнейшие работы в этом направлении позволили получить на сплавных структурах внешний квантовый выход красного излучения 1.5% [8] Наиболее высокая квантовая эффективность и воспроизводимые результаты по созданию электролюминесцектых сгрухтур на основе СЗаР получены при использовании метода жидкостной эпитаксии [9.10]. Для легирования п-слоя используется обычно ТЬ. Активная р область для получения красного свечения легируется Zn и О или 2п, ТЪ и О. Эффективность излучениятого же уровни можетбыть получена при легирошнии л слоя Эн [10]. Терм<юбработка при 400-700-0 приводит к повышению внешнего квантового выхода до 1-2% вследствие повышения концентрации комплексов /п-О , вызванного кулоновоким притяжением ионов гп и О.
23
Эпитаксия ЭаР структур в закрытой системе позволяет проводить её в условиях термодинамического равновесия, благодаря чему удается обеспечить заданный уровень легирования р- слоя летучими примесями Ъп и О.
Различные варианты устройства жидкостно-эпитаксиальной технологии выращивания двухслойных р-п структур с красным свечением на монокриогалличесхой подложке рассмотрены в работах [ 4.11,12]. Структура с внешним квантовым выходом излучения до 7% представлена на рис. 1.Й [4].
Высокая квантовая эффективность такой структуры обусловлена следующими фткторамк а) высюкой степенью легирования п слоя (-8-10ІЄІ см •) и отноеитель -но низким легированием р-слоя (до концентрации дырок *4-101Т спа Такой профиль легирования позволяет получить преимущественную инжскцию электронов в актинную р область; одновременно избегается образование широкой неизлучающей компенсированной области; б) возможность пропускания тока плотностью ]*10 А/ем* позволяет повысить эффективность канала излучателъной рекомбинации за счет насыщения каналов безызлучательной рекомбинации.
Зеленое свечение СаР структур обусловлено рекомбинацией носителей заряда через центры изоэлектронной ловушки атома N [13] Существуют определенные трудности получения высокой концентрации дырок С до 2-10|к см 3). Установлено, что внешний КЕантовый выход увеличивается с ростом концентрации N [14— 1 С]. Оптимизация температурных режимов выращивашта эпитаксиальных слоев позволяет также решить задачу повыше -ния квантового выхода [17].
Мкогие работы сведете л;>ствуют, что существенные результаты в достиже -НИИ высоких значений параметров и оптимальных характеристик светодиодов могут быть получены уоовершенстБОЕкПшем их конструктивно -технологических параметров, рис 1.3. Оптимизация профилей лсгирошігля С*іР азотом, цинком и кислородом [18] позволила получить высокоэффективные структуры желтого и оранжевою свечения, рис.1.4.
24
Рис. 1.2. Профиль легирования эпитаксиальной структуры СаР(гп-О) |4]
1 - подложка п-типа, легированная Те
2 - эпитаксиальный слой п-типа, легированный Те
3 - эни аксиальный слой р-тнпа. легированный /п-О
(Ч-Ыа)1018, см'3
25
Рис. 1.3. Распределение концентрации комплексов У.п-О (а),
азота (6) и носителей заряда в светодиодных структурах на основе ЄаР 117]
N. см'3
х, мкм
х, мкм
26
Рис. 1.4. Распределение концентрации носителей заряда по тол-шине эпитаксиальных структур на основе р-ЄаР:
( /.п-0)-п-СаР:(Те,Ы) желтою (а) и оранжевої о (б) свечения [18)
п0.Р0.смЯ
по’Ро'ш‘3
б)
18
и°
17 г
10 — г
1 1 1 1 1 1
30 20 10 0 10 20 30 х.мкм
27
Внешний квантовый выход эпитаксиальных ОаР структур существенным образом зависит от ориентации подложки, что может быть связано с зависимостью растворимости 1Ь(Т) в СаР [19].
Уника пьным материалом для излучающих структур яв;?ястся арсенид галлия. На его основе и его твердых растворов с другими материалами возможно получение электролюминесценции в широком диапазоне спектра - от инфракрасного до желтого. Как и в светодиодах па основе СаР важную роль в достижении высокой квантовой эффективности играет характер распределения примеси и технологические режимы и методы получения структур. В условиях жидкостной эпитаксии удастся исшолъзовать амфотерные свойства Б! [20] и получать р-пструктуру в едином процессе эпитаксиального выращивании рис. 1.5
[21]. Температуре! инверсии типа проводимости зависит от скорости охлаждения
[22]. В этой работе также показано, что внешний квантовый выход излучения увеличивается, если кнжекция в п-область сводится к минимуму, а р- область выращивается максимально компенсированной Изменение содержания в расплав«? вызывает сдвиг максимума полосы электролюминесценции.
В [23] исследовано распределение концентрации дырок, примесных цен I ров и степени компенсации по толщине р - области эпитаксиальных структур СаЛз:31, рис. 1.6. Концентрация акцепторов изменяется от границы р- п перехода проходя через максимум, а степень компенсации плавно падает. Сильное легирова -ние и высокая степень компенсации активной области является одним из эффективных способов увеличения внешнего квантового выхода излучающих структур [24,25]. Вследствие неоднородного распределения и неоднородной компенсации примесей в активной области создастся микронеоднородный потенциальный рельеф, рис. 1.7. Высокий внешний квантовый выход в таких структурах достигается за счет высокой вероятности излучательных переходов через хвосты квантовых состояний, низкой вероятности теплового выброса носителей заряда из зону в зону, низкого коэффициента поглощения, вследствие того, что энергия излучаемых квантов света существенно меньше ширины
28
Рис. 1.5. Зависимость температуры инверсии типа проводимости СаЛ$ от содержания кремния N(50 при выращивании р-п структур на плоскостях (111)А - I; (100) -2; (111)В-3 [20].
Т°,С
N(81), ат. %
29
Рис. 1.6. Распределение ионов примеси М|(1), акцепторов Ка(2), доноров N^(3) (а) и степени компенсации к (б) в р-слое ОаАзф) [231
к, отн.ед.
О
10
20
30
40
X, мкм
зо
Рис. 1.7. Схема рекомбинации электронно-дырочных пар в частично компенсированном полупроводнике, поясняющая принцип уменьшения степени поглощения основной волны излучения и причину сдвига максимума спектра излучения в область длинных волн
31
запрещенной зоны. Например, в GaAsSi глубина потенцшльнкх ям Дцф может достигать величины 0.1 оВ.
Вместе с тем отмечается, что компенсированные структуры обладают одтш существенным недостатком - большой инерционностью, порядка нескольких микросекунд Здесь нужно отметить аналогию механизма увеличения времен-»! жизни носителей заряда с тем, который имеет место в ноликристаллических 4хл’очувствитслы1ых структурах.: возникновение нооднородного потенциального рельефа по объему поликристшишческих пленок приводит к резкому уменьшению их быстродействия [26].
В [27] показало, что высокая квантовая эффективность и большое время жизни п светодиодах из сильно легированного компенс :и{хшнного GaAs(Si) не могут быть объяснены выключением каналов безызлучателыюй рекомбинации, а связана с малой концентрацией безызлучательных каналов рекомбинации. Большое значение времени жизни связано с малой концентрацией носителей заряда в зонах вследствие сильной компенсации. В исследованных диодах время жизни носителей заряда находилось в пределах 0.G-S.0 мке и зависало от тока через р- п переход
.0.3
как1 .
Дру!'им аюообом упеличения внешнею квантового выходи является введение в структуру пера из путающего и отражающего слоев. Таким способом внешний квантовый выход может быть увеличен почти до теоретического предела.
Одним из конструктивно-технологических решений задачи увеличения внутреннего и внешнего квантового выходов является разработка многослойных структур с изменяющимся химическим составом, и соответственно с различной шириной запрещенной зоны [6]. Это вариэонные структуры, гетеропереходы, квастово-размерные структуры, рис. 1.8. Нужно отметить, что стремление к повышению эффективности излучающих структур со спонтанным механизмом излучения (светодиодов) приводит исследователей к необходимости примене ния конструкт ивно-Технологических приемов, используемых для получения полупроводниковых лазеров.