5
13
13
15
15
19
19
21
24
25
30
34
35
35
36
43
43
50
53
55
55
59
63
2
Содержание.
Влияние электрического поля на вероятность безызлучательных и оптических переходов с участием глубоких центров в ваАв.
Основные электрофизические свойства ваАз.
Дефекты в ваАв
Примеси
Собственные дефекты Ловушка ЕЬ2 Комплексы У(;а-0
Электронно-колебательные переходы в полупроводниках в присутствии электрического поля
Однокоординатная модель
Модели, описывающие электронно- колебательные
переходы с глубоких примесных центров в сильных
электрических ПОЛЯХ
Выводы
Создание барьеров Шоттки Т1-СаАз и исследование их электрических характеристик
Создание на исследуемых пластинах СаАз:Те поверхностно - барьерных контактов металл-полупроводник
Методика и погрешности измерения распределения концентрации дефектов вблизи контакта металл-полупроводник. Расчет концентрационных профилей барьеров Шоттки Исследование вольт-амперных характеристик барьеров Шоттки
Измерение прямых вольтамперных характеристик и определение высоты потенциального барьера Применение методов рекомбинационной спектроскопии для определения параметров глубоких уровней
Исследование обратных вольтамперных
характеристик барьеров Шоттки
Исследование спектров термостимулированной
емкости барьеров Шоттки
Установка для измерения термостимулированной
емкости. Методика эксперимента
Определение параметров глубоких уровней с учетом
температурных зависимостей коэффициентов
захвата
Выводы
65
65
65
66
70
72
72
75
79
84
85
85
86
89
92
101
101
102
104
З
Исследование спектров фотолюминесценции
Экспериментальное определение форм-функции оптического перехода по спектрам фотолюминесценции
Методика измерения спектров фотолюминесценции Спектры фотолюминесценции эпитаксиальных слоев ваАБ
Расчет форм-функции излучения для комплекса УсаТедз в СаАБ из экспериментальной полосы люминесценции
Расчет моментов форм-функций оптических переходов и анализ характеристик электронных переходов
Расчет первых моментов полос излучения комплексов УоаТеА$
Анализ моментов полос излучения комплексов УсцТедв
Определение параметров электрон-фононного взаимодействия. Построение конфигурационно-координатных диаграмм Выводы
Расчет вероятности оптических переходов в сильных электрических ПОЛЯХ
Расчет вероятности термополевых переходов Квантово-механический расчет вероятности безызлучательного перехода с локализованных состояний глубоких центров Расчет вероятности фотоионизации глубоких центров в сильных электрических ПОЛЯХ Измерение сечений фотоионизации электронов на глубоком центре комплекса Ус,аТеА$ в ваАБ Расчет форм-функции полосы оптического поглощения комплекса УсаТеА$
Расчет форм-функции полосы поглощения комплекса У(]аТеА$ из экспериментальных спектров сечения фотоионизации Расчет форм-функции полосы поглощения комплекса УсаТеА$ из форм-функции полосы его излучения
Сравнение форм-функций полосы поглощения комплекса УсаТеА$, полученных разными методами при различных полях
N
4
4.3.4 Моделирование полевой зависимости вероятности
фотоионизации, комплекса УоаТеА§ в СаАэ. на основании форм-функции полосы оптического поглощения 1 1 1
4.4. Влияние термополевых процессов на обратные ВАХ 112
4.5 Выводы 117
Глава 5 Анализ механизмов переноса тока,
определяющих характер обратных вольт-амперных характеристик полупроводниковых 118
приборов на основе СаА$
5.1 Описание образцов. Влияние процессов нестационарного изменения степени заполнения глубоких уровней ЕЬ2 на спектр
термостимулированной емкости 118
5.2 Вольтамперные характеристики 125
5.2.1 Экспериментальное определение и моделирования
дифференциального показателя наклона 125
5.2.2 Определение соотношения коэффициентов захвата
глубоких центров методами рекомбинационной спектроскопии 131
5.3 Моделирование процессов туннельной 135
рекомбинации
5.4 Выводы 144
Основные выводы 145
Список использованной литературы 149
5
Введение.
Актуальность темы. Физические процессы, происходящие в области пространственного заряда (ОПЗ), являются важнейшими для понимания механизмов функционирования полупроводниковых приборов, их параметров и качества. Важность исследований таких процессов особенно возрасла после перехода к планарной технологии при изготовлении приборов для микроэлектроники и вычислительной техники, когда практически весь рабочий объем прибора стал представлять собой ОПЗ.
Важнейшими задачами создания сверхбыстродействующих схем вычислительной техники и обработки информации являются повышение быстродействия и уменьшение потребляемой мощности. При этом первая задача решается путем выбора полупроводниковых материалов с высокой подвижностью носителей заряда, а вторая - снижением рабочих напряжений приборов. В связи с этим расширяется использование диодов Шоттки на основе соединений А3В5 в СВЧ технике, оптике и оптоэлектронике.
Одним из направлений развития СВЧ электроники является
ч
использование полевых транзисторов на основе арсенида галлия. Данный материал имеет высокую подвижность электронов, что обеспечивает работу в диапазоне до 10 ГГц. Однако механизмы формирования обратных токов как контактов металл-полупроводник, так и р-п-переходов на основе арсенида галлия в значительной мере отличаются от классических и исследованы еще не достаточно. В частности в указанных выше структурах наблюдаются аномально сильные полевые зависимости обратного тока, что не описывается ни теорией Шоттки, в том числе с учетом влияния сил зеркального изображения, ни генерационнорекомбинационной теорией. В связи с этим изучение механизмов протекания тока в обратносмещенных структурах с ОПЗ является важной и актуальной задачей.
6
Анализ научной литературы показывает, что важную роль в
формировании обратных вольтамперных характеристик (ВАХ) играют
термополевые и туннельные процессы. На величину вероятности таких
\
переходов оказывает сильное влияние электрон-фононное взаимодействие. В связи с этим актуальным является развитие физических моделей, описывающих подобные переход, разработка моделей определения параметров электрон-фононного взаимодействия, а также алгоритмов расчета нолевых зависимостей термических и туннельных переходов по экспериментально определенным характеристикам рекомбинационных уровней, участвующих в процессе токопереноса.
Отмеченные выше проблемы решаются в рамках данного
диссертационного исследования, а результаты исследования апробируются
\
с использованием различных структур на основе арсенида галлия. В связи с этим тема диссертации является актуальной.
Целью работы является изучение термополевых механизмов формирования обратных вольтамперных характеристик структур с областью пространственного заряда, разработка и апробация физических моделей для расчета вероятностей термополевых переходов с учетом электрон-фононного взаимодействия.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
1. разработка алгоритмов расчета вероятностей термополевых переходов в сильных электрических полях с учетом влияния электрон-фононного взаимодействия в структурах на основе арсенида галлия;
2. определение параметров глубоких рекомбинационных центров в контактах металл-полупроводник, на основе арсенида галлия, содержащего комплексы вакансия галлия - теллур, вакансия галлия -кремний и ловушку ЕЬ2, а также полевых транзисторах и р-п-переходов на основе данного материала;
7
3. определение различными методами параметров электрон-фононного взаимодействия и форм-функций оптических переходов, используемых для расчета вероятностей термополевых переходов;
4. экспериментальная проверка достоверности расчета вероятностей
термополевого перехода, сделанными различными методами.
\
Научная новизна работы.
1. Научно обоснованы и экспериментально проверены алгоритмы вычисления вероятности термополевых переходов на основании знания параметров глубоких рекомбинационных центров.
2. Доказано, что электрон-фононное взаимодействие играет решающую роль среди процессов, определяющих вероятность термополевых переходов с центров, образованных комплексами вакансии галлия с теллуром, а также ловушками ЕЬ2.
3. Показано, что в р-п-переходах, на основе арсейида галлия имеют место туннельно-рекомбинационные токи. Доказано, что при концентрации ловушек ЕЬ2 в области пространственного заряда р-п- перехода больше, чем 3*1015 см'3 вероятность туннельно-рекомбинационных процессов достаточна для создания плотности тока величиной более
о 2
10' А-см‘% что является критичным для полевых транзисторов.
Практическая ценность.
1. Разработаны новые экспериментальные методы определения параметров электрон-фононного взаимодействия на основании исследования спектров люминесценции и поглощения с участием уровней рекомбинации.
2. Разработан метод оценки параметров уровней, лежащих у середины запрещенной зоны, например ЕЬ2 в арсениде галлия, на основании стационарных температурных зависимостей емкости структур с областью пространственного заряда.
3. Разработаны программные продукты, которые могут найти применение в обработке экспериментальных результатов: ВАХ, вольтфарадных характеристик (ВФХ), спектров термостимулированной емкости (ТСЕ) и спектров фотолюминесценции.
Основные положения, выносимые ша защиту:
1. Разработанные в работе алгоритмы вычисления параметров термополевых переходов, основанные на модели электрон-фононного взаимодействия, адекватно описывают ВАХ приборов на основе
х
арсенида галлия.
2. Особенности температурных зависимостей емкости области пространственного заряда структур на основе арсенида галлия обусловлены обменом электронов и дырок между уровнем, лежащим у середины запрещенной зоны, одновременно с зоной проводимости и валентной зоной.
3. Параметры электрон-фононного взаимодействия (энергия чисто электронных, термических и оптических переходов, фактор Хуанга и Рис, потенциалы основного и возбужденного состояний комплексов), определенные из фотоемкостных измерений, позволяют рассчитывать полевые и температурные зависимости обратных токов структур на основе арсенида галлия.
4. Основную роль в формировании обратных токов в арсениде галлия играют ловушки ЕЬ2. При концентрации выше чем 3*1015 см'3 они приводят к появлению туннельно-рекомбинационных токов, при меньших концентрациях участвую в термополевых переходах.
Апробация работы. По материалам диссертации были представлены тезисы и доклады на следующие конференции: Международная
конференция «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (г. Ульяновск, 2004г.; Ульяновск, 2005г.; Ульяновск, 2006г.).
9
Публикации. Основные результаты диссертации представлены в 11 печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка литературы. Диссертация изложена на 163 листах, содержит 53 рисунка, 10 таблиц, список литературы из 163 наименований.
Краткое содержание работы.
Глава 1 содержит обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследованию механизмов ионизации глубоких примесных центров в полупроводниках и электрофизических свойств арсенида галлия. Показано, что существенную роль в достаточно широком классе процессов (безызл) нательных и излучательных), в которых принимают участие локальные центры с глубокими уровнями в запрещенной зоне, могут играть эффекты многофононной генерации и туннелирования. Причем, ряд электронных процессов в ОПЗ может целиком определяться такими эффектами и характеризоваться специфической полевой зависимостью. Приведен обзор работ, исследующих подобные процессы. Отмечено, что все приведенные выражения для вероятности электронно-колебательных переходов в присутствии электрического поля4 построены в рамках однокоординатной модели. Показаны достоинства и недостатки однокоординатной модели, а также случаи, в которых она может быть неприменима для расчета полевых зависимостей и возникает потребность в более общем подходе к исследованию многофононных процессов с участием глубоких центров в полупроводниках.
Во главе 2 проводится исследование электрических характеристик созданных на пластинах СаАБ:Те барьеров Шоттки. На основе
измеренных ВФХ рассчитывается концентрационные профили созданных образцов и высоты их потенциальных барьеров. Проводится сопоставление найденных значений с высотами барьеров, рассчитанными из
температурных вольтамперных характеристик (ВАХ). Проводится анализ показателя неидеальности, и делается вывод о участии процессов туннелирования в переносе заряда и значении ловушки EL2, рекомбинация через которую определяет прямую ВАХ диодов.
Делается попытка анализа обратные ВАХ барьеров, которые не удалось даже качественно описать с помощью модели Шоттки с учетом уменьшения высоты потенциального барьера вследствие действия сил зеркального изображения. Определяются значения энергии активации при различных напряжениях обратного смещения и делается предположение о туннельном механизме токопереноса.
Делается вывод о том, что, для моделирования обратных ВАХ необходимо учитывать термополевые зависимости генерации и электрон-фононное взаимодействие, обуславливающее скорости термической
N
эмиссии при данных процессах. В связи с этим, для описания вида ВАХ необходимо определить параметры электрон-фононного взаимодействия.
В главе 3 проведен анализ пределов применимости
однокоординатнлй модели для описания электронно-колебательных
переходов с глубоких примесных центров, создаваемых комплексами
V<;aTeAs в GaAs в электрическом поле. Для этого из спектров излучения
комплексов V(jaTeAs построены форм-функции перехода, рассчитаны
первые моменты форм-функций и проведен анализ их температурных
зависимостей. Показано, что форма спектров оптических переходов может
\
быть описана с помощью однокоординатной модели, характеризующейся четырьмя параметрами электрон-фононного взаимодействия, такими, как: энергия чисто электронного перехода, фактор Хуанга и Рис, частоты эффективных фононов, описывающих адиабатические потенциалы основного и возбужденного состояний комплексов. Используя данные параметры, рассчитаны зависимости скорости эмиссии дырок с комплекса V(,aTeAs от напряженности электрического поля. Построена конфигурационно-координатная диаграмма комплекса VcJdTeAs.
11
В главе 4 выполнен квантовомеханический расчет вероятности оптической ионизации глубоких центров в электрическом поле. Получено выражение для вероятности перехода с учетом электрон-фононного взаимодействия, которое позволяет вычислять полевые зависимости скорости оптического перехода с глубокого уровня в зону, не переходя к однокоординатной модели и не упрощая сложное взаимодействие электронов с решеткой. Используя параметры электрон-фононного взаимодействия комплекса \^СаТеА$, проведен расчет полевых и спектральных зависимостей сечений фотоионизации носителей на глубоком центре, созданном данным комплексом.
Для сравнения приводимых теоретических выражений методом кинетики релаксации емкости ОПЗ диодов Шоттки И-ваАв при включении и выключении света, были измерены полевые и спектральные зависимости скорости оптической эмиссии и сечения фотоионизации электронов на глубоком центре, создаваемом комплексом УсаТеА$.
Сделан расчет форм-функций оптическрй полосы поглощения комплекса УоаТеА5 в ваАБ из экспериментальных спектров сечений фотоионизации методом регуляризации Тихонова и из полосы излучения с помощью параметров однокоординатной модели и формул Эджворта. Проведен анализ моментов форм-функций в электрическом поле, который показал, что в электрическом поле происходит сближение адиабатических потенциалов основного и возбужденного состояний исследуемого центра вдоль оси энергий.
В конце главы проводится расчет параметров электрон-фононного взаимодействия ловушки ЕЬ2 и на их основе моделируются обратные вольтамперные характеристики диодов Шоттки
В главе 5 проведены исследования спектров термостимулированной емкости (ТСЕ) промышленных светоизлучающих диодов АЛ 107. Показано, что исследуемый процесс не имеет чисто нестационарный характер и обусловлен суперпозицией термостимулированной кинетики
стационарной и нестационарной емкости. Сделан анализ стационарной составляющей ТСЕ и доказано, что эта составляющая полностью обусловлена ловушкой ЕЕ2. Проведены измерения прямого и обратного тока светодиодов и показано, что ВАХ при прямом смещении определяется суперпозицией генерационно-рекомбинационных процессов и процессов туннельной рекомбинации. Показано, что основную роль в туннельно-рекомбинационных процессах играет ловушка ЕЬ2.
13
Глава 1.
Влияние электрического поля на'вероятность безызлучательных и оптических переходов с участием глубоких центров в ваАз.
1.1. Основные электрофизические свойства СаАз.
ваАя является перспективным материалом для электроники. Свыше 70% научных и технических публикаций в области полупроводниковых приборов посвящено исследованию соединений типа А3В5 , среди которых самое важное место принадлежит ваАз.
Большое внимание к баАб в начальный период исследования соединений типа А3В5 было связано с представлением о том, что на основе СаАэ возможно создание высокочастотных и высокотемпературных транзисторов, так как подвижность электронов в нем значительно выше, а их эффективная масса почти на порядок меньше, чем в ве. Однако эти ожидания не оправдались, т.к. время жизни носителей в баАз оказалось весьма малым.
Первые важные области применения СаАя были связаны с использованием его для производства туннельных диодов. Значительную роль ваАз играет в производстве фотопреобразователей солнечной энергии в электрическую.
Наиболее массовое применение баАз получил в производстве диодных источников спонтанного и когерентного излучений. На основе баАз созданы высокоэффективные светоизлучающие диоды инфракрасного диапазона, находящие разнообразное применение в
фотоэлектронике. Широкое применение в производстве светоизлучающих
\
диодов, знаковых индикаторов, лазеров и ИК диодов находят твердые растворы СаАэ с баР и А1Аз.
Электрофизические свойства ваАБ подробно рассмотрены в ряде монографий [1-3]. Некоторые из них кратко приводятся ниже.
Все соединения типа А3В5 кристаллизуются в структуре цинковой обманки, представляющей собой комбинацию двух, вставленных одна в
ч
другую кубических гранецентрированных решеток, смещенных относительно друг друга на четверть диагонали куба, и состоящих из одного сорта атомов каждая. В структуре цинковой обманки каждый атом металла имеет в качестве ближайших соседей четыре атома металлоида, расположенных в вершинах правильного тетраэдра. Аналогично каждый атом металлоида находится в таком же положении относительно атомов металла. Расстояние между центрами ядер элементов решетки ЄаАБ -2.44 А, что составляет сумму атомных радиусов ва (1.26 А) и Аб (1.18 А). Ребро элементарной кубической ячейки 5.6534±0.0002 А.
Рис. 1.1. Структура арсенида галлия: 0-атомы ва; • — атомы Аб
Направления <111> образуют структуре цинковой обманки полярные оси, т.е. направления [111] и [ТТТ] качественно различны. Направление [111] - это направление от атомов металла к атомам металлоида, противоположное направлению [ТТТ]. Плоскость (111) состоит в ваАБ либо из атомов ва, либо из атомов Аб, имеющих по одной связи с решеткой. На плоскости (ТТТ) связь этих атомов носит противоположный характер. В связи с этим, плоскость (111) часто называют галлиевой, т.к. ва на этой плоскости прочнее связан с решеткой
- Київ+380960830922