ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение 5
ГЛАВА 1 Рекомбинационные центры в р-л-переходах на основе кремния 10
1.1. Возможные типы точечных дефектов в кремнии....................... 10
1.2. Вакансии и межузельные атомы в в кремнии......................... 14
1.3. . Кислород и другие примеси в кремнии........................... 18
1.4. Анализ методов определения параметров центров рекомбинации... 20
1.5. Выводы по обзору литературы и постановка задачи исследования... 23
ГЛАВА 2 Термостимулированная спектроскопия глубоких центров в рентгеночувствительных приемниках...................................... ^
2.1 Распределения концентрации примесей вблизи р-л-перехода........... 25
2.2 Результаты емкостных измерений и расчеты профилей концентрации. 28
2.3 Термостимулированная генерация с глубоких уровней ОПЗ в р-л-переходах.............................................................. ^
2.4 Вычисление параметров глубоких уровней с учетом температурных зависимостей коэффициентов захвата электронов........................
2.5 . Выводы.......................................................... 42
ГЛАВА 3 Распад дивакансии в области пространственного заряда
44
кремниевого р-л-перехода.............................................
3.1. Изменение состава глубоких центров в области пространственного
44
заряда при термостимулированном нагреве..............................
3.2. Возможные модели термостимулированного распада комплексов в области пространственного заряда.....................................
3.3. Кинетические коэффициенты комплексообразования................... 54
2
3.4. Определение энергетических параметров, кинетических коэффициентов и модели изменения состава дефектов в области пространственного заряда при термостимулированном нагреве............
3.5. Выводы..........................................................
ГЛАВА 4 Рекомбинационные процессы в области пространственного заряда рентгеночувствительных приемников.............................
4.1. Механизмы, формирующие прямую ветвь вольтамперной характеристики.......................................................
4.2. Рекомбинационная спектроскопия центров в области пространственного заряда.............................................
4.2.1. Определение параметров центров рекомбинации по дифференциальному показателю наклона ВАХ.............................
4.2.2. Приведенная скорость рекомбинации и, основанные на этом, методы определения параметров центров рекомбинации...................
4.2.3. Метод, основанный на разделении производной приведенной скорости рекомбинации дКпр{Р)/ди на составляющие.....................
4.3. Температурные зависимости коэффициентов захвата центров рекомбинации ........................................................
4.4. Рекомбинация с участием многозарядных центров...................
4.5. Выводы..........................................................
ГЛАВА 5 Механизмы, определяющие коэффициент полезного действия приемников рентгеновского излучения..................................
5.1. Коэффициент полезного действия приемника рентгеновского излучения ...........................................................
5.2. Механизмы, формирующие обратную ветвь вольтамперной характеристики.......................................................
57
60
61
61
65
68
72
77
80
84
92
95
95
96
з
5.3. Влияние электрического поля на эмиссию электронов и дырок с рекомбинационных уровней....................................... 104
5.4. Влияние электрон-фононного взаимодействия на процессы генерации с участие рекомбинационных центров в сильном электрическом поле............................................... ^
5.5. Анализ путей снижения концентрации центров рекомбинации 115
5.6. Выводы.................................................... 122
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................... 123
ЛИТЕРАТУРА..................................................... 126
4
Введение
Кремний является самым распространенным материалом для изготовления различных полупроводниковых приборов. Не составляют исключения и приемники рентгеновского излучения, которые представляют собой высококачественный фотоприемник с нанесенным на лицевую поверхность люминофором, преобразующим рентгеновское излучение в видимое. Качество и эффективность такого приемника складывается из эффективности преобразования одного вида излучения в другое и эффективности приемника оптического излучения. Преобразование рентгеновского излучения исследовано достаточно хорошо и в данной работе не затрагивается. Качество второй ступени преобразования во многом определяется величиной обратного темнового тока. При малых уровнях освещенности к.п.д. прибора обратно пропорционален этой величине. Несмотря на многолетние исследования в этой области, существует еще достаточное количество белых пятен, которые изучены не в полной мере и сдерживают понимание путей совершенствования технологии приборов. Многочисленные предшествующие работы доказали, что обратные вольтамперные характеристики во многом связаны со свойствами рекомбинационных токов в области пространственного заряда. Однако природа центров рекомбинации в большинстве случаев остается дискуссионной. Недостаточно исследовано поведение сложных кислородных комплексов. В то же время кислород является примесью, которая входит в состав кремния в максимальных количествах. Кроме того, он способен создавать целую серию комплексов с вакансией и другими дефектами, образуя центры рекомбинации, которые определяют механизмы переноса носителей заряда в /?-л-переходе. Свойства этих центров известны пока не в достаточной степени. Практически нет сведений о параметрах электрон-фононного взаимодействия, сопровождающего электронные переходы с этих центров. Электрон-фононное взаимодействие усиливает влияние электрических полей и ускоряет процессы термической эмиссии электронов и дырок с центров рекомбинации. В случае квазимолекулярных центров, какие создает кислород в кремнии, без привлечения моделей электронно-колебательных переходов добиться
5
совпадения между экспериментальными и теоретическими результатами невозможно. Несмотря на то, что ведущая роль электрон-фононного взаимодействия на процессы генерации с участием рекомбинационных центров в полупроводниках, была доказана в середине 70-х годов, с тех пор развиваются в основном теоретические модели, да и то ограниченные однокоординатным приближением. В экспериментальных работах определение параметров электрон-фононного взаимодействия практически не встречается. Это, в частности, вызвано ограниченностью возможностей емкостных методов измерений. В подавляющем количестве экспериментальных работ определяют энергию активации глубоких уровней методом нестационарной емкостной спектроскопии. Очень редко приводятся значения коэффициентов захвата носителей и фактически никогда их температурные зависимости. Последние как раз и позволяют найти параметры электрон-фононного взаимодействия. Эти экспериментальные результаты можно получить, анализируя вольтамперные характеристики приборов при прямом смещении. Хотя такие методы есть, но они широким кругом исследователей не используются. В данной работе указанные выше пробелы изучаются и делаются важные выводы для теории и практики полупроводниковых приемников излучения. Тема диссертации актуальна.
Целью работы является анализ механизмов переноса носителей заряда в кремниевых приёмниках рентгеновского излучения и их влияния на коэффициент полезного действия преобразования волновой энергии в электрическую.
Для достижения данной цели решаются следующие задачи:
Анализируются процессы термогенерации носителей заряда с рекомбинационных центров с учетом температурных зависимостей коэффициентов захвата, моделируется возможное влияние этих процессов на результаты измерения термостимулированной емкости и определяются энергии активации основных рекомбинационных центров в кремниевых приемниках излучения.
Выясняется природа необратимых процессов при разогреве р-л-перехода, находящегося при напряжении обратного смещения, и выявляются центры в них участвующие.
Устанавливаются механизмы, формирующие прямые вольтамперные характеристики р-л-перехода и методами рекомбинационной спектроскопии
6
определяются параметры ряда центров рекомбинации, включая температурные зависимости коэффициентов захвата. Показывается, что некоторые рекомбинационные центры являются многозарядными.
Устанавливается связь между коэффициентом полезного действия преобразования и величиной обратного тока. Выясняются механизмы, определяющие величину обратного тока, обсуждается природа центров рекомбинации и теоретически рассматриваются условия проведения технологических процессов, которые должны увеличить эффективность приемников излучения.
В работе получены следующие новые научные результаты:
Разработаны модели термостимулированной генерации, учитывающие температурную зависимость коэффициента захвата. Определены условия, при которых систематическая погрешность определения параметров рекомбинационных центров (РЦ) будет минимальна.
Показано, что обнаруженные экспериментально РЦ, так или иначе связаны с присутствием кислорода.
Установлено, что электрическое поле области пространственного заряда (ОПЗ) способствует распаду дивакансии с последующим образованием А - центров. Получены аналитические выражения, описывающие кинетику изотермического и термостимулированного распада. Определена парциальная свободная энергия распада дивакансии в электрическом поле.
Определены условия, получены аналитические зависимости и новые алгоритмы применения метода рекомбинационной спектроскопии для определения параметров РЦ. Найдены такие важные параметры, как температурные зависимости коэффициентов захвата. Экспериментально и методом математического моделирования показано, что некоторые РЦ являются многозарядными.
Получено выражение для коэффициента полезного действия преобразования волновой энергии в электрическую и показано, что эта величина обратно пропорциональна скорости генерации через РЦ с термическими энергиями активации
0.45 и 0.53 эВ, которые, по-видимому, связаны с многочастичными комплексами вакансии кремния и атомов кислорода.
7
Экспериментально и аналитически доказано, что генерация, с участием указанных выше РЦ, в силу сильного электрон-фононного взаимодействия, ускоряется в электрическом поле ОПЗ, что связано с эффектом Френкеля -понижением высоты барьера, окружающего ловушку, в электрическом поле.
Практическую значимость имеют следующие результаты работы:
Обоснованы, разработаны и реализованы на практике новые алгоритмы определения параметров центров рекомбинации, в том числе температурные
зависимости коэффициентов захвата дырок и электронов на центры захвата и параметры электрон-фононного взаимодействия.
Определены параметры ряда центров рекомбинации в кремниевых приемниках излучения и показана их роль в механизмах, определяющих вольтамперные
характеристики р-л-переходов.
Теоретически обоснованы способы снижения концентрации рекомбинационных центров, связанных с присутствием кислорода в кремнии, которые согласованы с технологий изготовления приборов.
На защиту выносятся положения:
Температурные зависимости коэффициентов захвата в области
термостимулированной эмиссии электронов не вносят существенных
систематических ошибок в найденные энергии термической активации центров рекомбинации.
Дивакансия распадается в электрическом поле области пространственного заряда вблизи 300° К. Образовавшиеся при этом свободные одиночные вакансии захватываются атомами кислорода, образуя А-центры.
Комплексный метод, сочетающий измерение термостимулированной емкости и токовую рекомбинационную спектроскопию, позволяет вычислить с необходимой точностью температурные зависимости коэффициентов захвата на рекомбинационные центры.
Коэффициент полезного действия преобразования волновой энергии в электрическую зависит от концентрации рекомбинационных центров, имеющих
8
энергию термической активации 0.45 и 0.53 эВ. Данные центры, по-видимому, связанны с многочастичными комплексами вакансии кремния с атомами кислорода.
Электрон-фононное взаимодействие играет определяющую роль в величине эффекта Френкеля, приводящего к ускорению эмиссии электронов с центров рекомбинации.
Апробация работы: Результаты работы докладывались на научно -техническом семинаре НПК «Технологический центр» МИЭТ, международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» , 2005 (Владимир). По результатам работы опубликовано 6 научных работ, включая оригинальные работы в ведущих научных журналах России и труды международных конференций.
Структура работы: Работа изложена на 135 стр., включает 9 таблиц и 36 рисунков, библиографический список включает 135 работ.
9
ГЛАВА 1 Рекомбинационные центры в р-п-переходах на основе кремния.
1.1. Возможные типы точечных дефектов в кремнии.
Все реальные твердые тела содержат структурные дефекты, типы которых весьма многообразны. Они зависят от условий получения материалов, их природы и состава, характера внешних воздействий. Проблема дефектов занимает центральное место в физике и технике полупроводников. Они определяют электрические, оптические, фотоэлектрические и другие свойства полупроводников [1-3]. Большую роль глубокие центры играют в фотоприемниках и приемниках излучения.
Интерес к изучению этих дефектов обусловлен их существенным влиянием на структурно - чувствительные свойства, кинетику фото- и иных процессов в полупроводниках и генерационно-рекомбинационные процессы в р-п-переходах [4]. Глубокие уровни захватывают свободные носители заряда. Тем самым, уменьшается их концентрация, также изменяется и подвижность носителей, поскольку дефекты играют роль центров рассеяния. Изменяется время жизни носителей, так как дефекты играют роль центров рекомбинации. Дефекты также ответственны за большинство явлений, связанных с атомным переносом, таких как миграция, диффузия, комплексообразование, кластеризация [5,6].
Структурные дефекты по геометрическим признакам могут быть разделены на четыре класса: точечные (нульмерные), линейные (одномерные), плоские
(двумерные), объемные (трехмерные) [7-10]. Другая классификация дефектов разделяет их по характеру разупорядочения кристаллической решетки, которое имеет место при образовании того или иного дефекта. Представление о различных типах дефектов с этих позиция дает рис. 1.1. [11,12].
К точечным дефектам относятся вакантные узлы кристаллической решетки (вакансии), междоузельные атомы, атомы примесей чужеродных элементов, а также сочетания этих дефектов (комплексы). Хорошо известными примерами комплексов точечных дефектов являются такие образования: примесь-вакансия, примесь-примесь, дивакансия, тривакансия и т.д. К линейным дефектам относятся дислокации и
ю
i
и
sl
. я*
=i
/ 1.1. Электоронные
ч
1 5 Р * —►
\
8§ 2 О —► I.3. Дефекты движения
& |
4 —> 1.4. Дефекты ориентации
\
1.5. Ассоциированные дефекты
1.1.1. Свободные эле стороны
1.1.2. Свободные дырки
1.2.1. Вакансии
1.2.2. Междоуэельные атомы
1.2.3. Антиструктурные дефекты
1.2.4. Фононы
11.1. Примеси внедрения
\
1.5.1. Экситоиы
1.5.2. Электроннодырочные лары
1.5.3. Поляроны
1.5.4. Дивакансии
N
11.2. Примеси замещения
1.2.1.1. Вакансии по Френкелю
1.2.1.2. Вакансии по Шоттхи
III. 1. Дислокации
111.2. Малоугловые границы
111.3. Границы кристалла
IV.1. Ассоциаты 1.2-11.1 IV.2. Ассоциаты I.2-III.1 IV.3. Ассоциаты 11.1-III.1
3
ü
Рисунок 1.1 - Классификация дефектов по виду разупорядочения кристаллической решетки
микротрещины. К плоским дефектам относятся границы зерен и двойников, дефекты упаковки, межфазные границы и границы кристалла.
Объемными дефектами являются включения других фаз и микропустоты. Такие дефекты обычно возникают при распаде пересыщенного твердого раствора. К ним же можно отнести кластер-скопление связанных дефектов.
Точечные дефекты являются наиболее распространенными структурными дефектами. Впервые гипотезу о возникновении такого рода нерегулярностей в кристаллической решетке сформулировал известный физик Я.И. Френкель (1926) [13,14].
11
- Київ+380960830922