- 2
ОГЛАВЛЕНИЕ
стр.
ВВЕДЕНИЕ.........................................................5"
ГЛАВА I. ЧАСТЬ I. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВ ЭЛЖТР0НН0-30НД0ВЫМИ МЕТОДАМИ . . . (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР) ............................................ 12
§ 1.1. Генерация, диффузия и дрейф неравновесных носителей в полупроводниковом материале при облучении оыстры-ми электронами ............................................../2
1.1.1. Взаимодействие первичных электронов с твердым телом. Распределение функции генерации....................../2
1.1.2. Диффузия и дрейф неравновесных носителей, генерированных быстрыми электронами ............................. №
1.1.3. Распределение неосновных носителей, генерированных электронным зондом .................................... 22
§ 1.2. Режим тока, индуцированного электронным зондом
(ТИЭЗ) ...............................................24
1.2.1. Типы сигналов, регистрируемых в полупроводниковых материалах и структурах при электронно-зондовом возбуждении ............................................... 24
1.2.2. Параметры полупроводниковых структур, определяемые в режиме ТИЭЗ в слое объемного заряда .....................2?
1.2.3. Параметры полупроводниковых структур, определяемые в режиме ТИЭЗ в квазинейтральной области . . . ^23
§ 1.3. Катодолшинесцентные (КЛ) исследования полупроводников .........................................................43
ЧАСТЬ II.
§ 1.4. Электрофизические свойства нелегированных эпитакси-
- з -
стр.
алъных слоев &аД 3 и структур на их основе ... ^3
1.4.1. Особенности получения нелегированных слоев &яА3 и структур на их основе методом жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ)..................................................43
1.4.2. Глубокие центры, образующиеся в процессе роста нелегированных слоев &аДз методом ЖФЭ .... 45
ГЛАВА 2. ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА И МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕНТРОННО-
30НД0ВЫХ СИГНАЛОВ......................................52
§ 2.1. Введение ............................................. 52
§ 2.2. Методика регистрации тока, индуцированного электронным зондом (ТИЭЗ)............................................53
§ 2.3. Методика регистрации катодолюминесцентного (КЛ)
излучения ............................................. 57
§ 2.4. Модуляционная методика исследования глубоких центров
с помощью электронного зонда............................ 68
§ 2.5. Методика электролюминесцентных (ЭЛ) измерений в
растровом электронном микроскопе ....................... 71
§ 2.6. Экспериментальные образцы .............................. 74
ГЛАВА 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ Р-П СТРУКТУР НА ОСНОВЕ НЕЛЕГИРОВАННОГО &СІ ДЗ ЭЛЕКТР0НН0-30НД0ВЫ-
МИ МЕТОДАМИ............................................76
§ 3.1. Введение................................................76
§ 3.2. Особенности поведения ТИЭЗ и КЛ в структурах на основе нелегированного 77
§ 3.3. Определение электрофизических параметров в области
объемного заряда р-п и р-і-п структур...................84
3.3.1. Теоретические модели расчета кривых индуцированного тока.................................................... 84
- Ч -
стр. (
3.3.2. Результаты эксперимента при измерении в режиме
индуцированного тока................................Ю8
§ 3.4. Локальный анализ глубоких центров с помощью электронного зонда в р-п структурах...............................U8
3.4.1. Физические основы метода локального анализа глубоких центров.............................................118
3.4.2. Результаты исследования параметров глубоких цент-
ров в структурах на основе эпитаксиального 6dRs J22 !
§ 3.5. Определение электрофизических параметров в квази-нейтральных областях р-п структур..........................
3.5.1. Определение параметров процесса безызлучательной рекомбинации ............................................138
3.5.2. Определение диффузионных длин в нелегированном
б-ci AS с учетом эффекта переизлучения .... 148 ГЛАВА 4. ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ДИОДНЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ НЕЛЕГИРОВАННОГО ЭПИТАКСИАЛЬНОГО & Ci А 5 С
ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТР0НН0-30НД0ВЫХ МЕТОДОВ...................155
§ 4.1. Введение ............................................ 1€?
§ 4.2. Механизмы образования р° и п° слоев структуры 15G
§ 4.3. Влияние металлургической границы подложка-эпитакси-
альный слой на характер разделения носителей тока 1^8 § 4.4. Влияние толщины р°-слоя на распределение концентрации ГЦ по толщине эпитаксиальных слоев структуры 1£3 § 4.5. Влияние толщины р°-слоя на вид вольт-амперной характеристики диодных структур................................................................ 1^8
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................У74
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................180
- 5 -
ВВЕДЕНИЕ
Одним из основных и традиционных направлений развития полупроводниковой электроники является разработка мощных полупроводниковых приборов - диодов, транзисторов и тиристоров. Такие приборы прежде всего должны работать при больших токах и выдерживать значительные напряжения, а значит обладать способностью рассеивать большие мощности, обладать малыми обратными токами и тлеть слабую зависимость параметров от температуры.
Основной задачей при создании высоковольтных диодных структур на основе нелегированных эпитаксиальных слоев &а fis является разработка технологии получения слоев с оптимальным распределением концентрации мелких и глубоких центров, позволяющих достигнуть высоких обратных напряжений IL о и малых прямых падений напряжений. Две последних задачи взаимосвязаны и противоречивы. Увеличение Uа требует увеличения толщины базы структуры, а это в свою очередь приводит к росту омических потерь в пропускном направлении, особенно при использовании материалов с малыми диффузионными длинами неосновных носителей. Поэтому при создании силовых приборов на основе нелегированного C-а. fis одной из задач является получение эпитаксиальных слоев с большими диффузионными длинами неосновных носителей. Не менее важными задачами являются также: установление механизмов образования р и п-слоев, р-п перехода, возникающих при эпитаксиальном росте структуры; получение максимально больших коэффициентов инжекции носителей в п°-базу многослойной приборной структуры.
Создание приборов с заданными параметрами требует детального изучения свойств используемых материалов и структур, измерения
- 6
их параметров, оптимизации технологии выращивания. Существующие традиционные методы исследования полупроводниковых материалов и приборных структур не дают исчерпывающей информации о свойствах материала и структуры, определяют их усредненные параметры. В ряде случаев параметры приборной структуры вообще не могут быть определены непосредственно из этих измерений и требуют дополнительной информации для их расчета. Наибольшие затруднения при измерении традиционными методами возникают при исследовании многослойных структур. При измерении большинства параметров эпитаксиальных слоев и характеристик структур предъявляются требования: высокая локальность, отсутствие разрушения образцов в процессе измерения, возможность комплексного измерения целого ряда параметров. Этим требованиям отвечают электронно-зондовые методы исследования. Для измерения параметров арсенид-галлиевых эпитаксиальных слоев и характеристик высоковольтных структур на их основе в данной работе использовался целый комплекс электронно-зондовых методик. Среди них традиционные методики регистрации тока, индуцированного электронным зондом, и катодолкминисцентно-го излучения, а также впервые созданные. Эти методики разработаны нами с учетом специфики исследуемых структур и основаны на регистрации сигналов, возникающих при локальном возбуждении неравновесных носителей. К ним следует отнести метод локального анализа глубоких центров в полупроводниковых р-п структурах, основанный на регистрации модуляционного сигнала, возникающего при комбинированном возбуждении неравновесных носителей с помощью электронного зонда и монохроматического Ж света. К числу новых методик относится и методика, основанная на регистрации сигнала
- 7 -
электролюминисценции и катодолкминесценции из одной и той же локальной области многослойной приборной структуры и позволяющая изучать инжекционные свойства р-п структуры. Данные методики предоставляют возможность одновременно регистрировать целый ряд сигналов из одной и той же локальной области структуры: ток, индуцированный электронным зондом, сигналы катодо- и электролюминесценции, модуляционный сигнал, сопоставление которых позволяет определять ряд электрофизических параметров эпитаксиальных слоев и приборных структур, таких как: диффузионные длины неосновных носителей в материалах с неоднородным распределением примеси, концентрацию и профиль распределения ионизованных центров; энергетическое положение, концентрацию и характер распределения глубоких центров. Кроме того, данные методики позволяли устанавливать тип структуры (р+-п°, р+-р°-п°, р- I -п), определять наличие высокоомной компенсированной области, устанавливать их протяженность; оценивать соотношение между концентрацией глубоких и мелких центров. Сопоставление данных свойств и характеристик, полученных в локальных областях полупроводникового материала и приборной структуры, с интегральными характеристиками структуры и технологическими условиями выращивания дают возможность проводить отработку технологических условий выращивания; устанавливать механизмы образования р° и п° слоев, р-п перехода; оптимизировать параметры приборной структуры.
Диссертация состоит из четырех глав, введения и заключения.
Первая глава состоит из двух частей. В первой части дан обзор литературы по электронно-зондовым методам определения электрофизических параметров полупроводников. Рассмотрены вопросы вза-
- 8 -
имодействия быстрых электронов с веществом, генерации электронно-дырочных пар, их диффузии и дрейфа в полупроводниковом материале. Подробно рассматриваются методы определения параметров полупроводников, в частности, диффузионных длин неосновных носителей в режиме тока, индуцированного электронным зондом, в различных практически важных случаях. Даны критерии точности измерений ее величины, применимости методов. Обсуждаются возможности катодолюминесцентных исследований для изучения излучательных и безызлучательных характеристик полупроводникового материала.
Ввиду того, что электронно-зондовые методы в данной работе применялись для исследования нелегированных эпитаксиальных слоев Сга.{\8> и структур на их основе, получаемых методом жидкофазной эпитаксии, то для правильной интерпретации и понимания задач, стоящих при электронно-зондовых исследованиях, вторая часть была посвящена обзору электрофизических свойств эпитаксиальных слоев и р-п структур; особенностям их получения; характеристикам глубоких центров, образующихся в процессе роста эпитаксиальных слоев &-а. И&.
Вторая глава посвящена технике эксперимента и методикам измерения электронно-зондовых сигналов. Рассмотрена методика измерений в режиме тока, индуцированного электронным зондом; обсуждаются варианты существующих катодолкыинесцентных приставок к электронно-зондовому прибору, обосновывается выбор приставки с выводом излучения через встроенный оптический микроскоп. Рассмотрена техника эксперимента, применяемая при исследовании глубоких центров модуляционным методом. Описана методика, применяемая для регистрации электролкминесцентного излучения в электрон-но-зондовом приборе.
- 9 -
Третья глава посвящена применению электронно-зондовых методов для определения электрофизических параметров р-л структур на основе нелегированного &а. А 5 . Показаны особенности поведения тока, индуцированного электронным зондом, и сигнала катодо-люшнесценции в р+-п° и р+-р°-п°-п+ эпитаксиальных структурах на основе (у а Аз . На основе анализа кривых индуцированного тока в области объемного заряда р-л перехода и квазинейтральной области, а также предложенных теоретических моделей, разработаны методики, позволяющие определять ряд электрофизических параметров в эпитаксиальных слоях и структурах &а. А 3 . Даны физические основы метода локального анализа глубоких центров с помощью электронного зонда, приведены результаты исследований глубоких центров в эпитаксиальных арсенид-галлиевых структурах.
Четвертая глава посвящена вопросам оптимизации параметров высоковольтных диодных структур на основе нелегированного эпитаксиального баАб с помощью электронно-зондовых методов. Предложен механизм компенсации и образования слоев р+-п° и р +--р°-п° структур. Показана роль металлургической границы подлож-ка-эпитаксиальный слой на характер разделения носителей. Установлена связь между толщиной р°-слоя и величинами электрофизических параметров. Определена оптимальная толщина р°-слоя (Ц,0=
= 25-35мкм) высоковольтной диодной эпитаксиальной структуры на основе (уо- Л5.
Основные положения, выносимые на защиту:
I. Разработан комплекс электронно-зондовых методов для определения электрофизических параметров в полупроводниковых структурах, включающий:
- ю -
-метод локального анализа глубоких центров, основанный на регистрации модуляционного сигнала, возникающего при одновременном облучении р-п структуры электронным зондом и монохроматическим Ж светом;
- способ определения параметров закона рекомбинации в квазинейт-ральной области и в области объемного заряда р-п перехода, основанный на анализе кривых индуцированного тока;
- способ определения профиля распределения концентрации ионизованных центров в р+-п°, р+- р°-п° и р-і -п структурах с высокой по сравнению с мелкими, концентрацией глубоких центров, основанный на анализе кривых индуцированногоотока в области объемного заряда;
- методика определения толщины базы в многослойной приборной стру-туре, основанная на регистации сигнала электролюминесценции в условиях локальной инжекции электронно-дырочных пар электронным зондом.
II. Следующие основные результаты электронно-зондовых исследований нелегированных слоев Сзай$ и структур на их основе:
- установлено, что в зависимости от технологических условий выращивания нелегированных эпитаксиальных слоев СгО ЯДметодом жид-фазной эпитаксии формируется два типа структур: р+-п° и р+-р°-п°; определен механизм образования р° и п° слоев этих структур; установлено, что для структур второго типа характерно наличке высокоомной компенсированной области (от единиц до десятков микрон) с
И (А'д. + А/дгУМ)!
- показано, что в р-п структурах на основе нелегированного5аЙ£, полученных методом жидкофазной эпитаксии, образуется дефект перестановки , являющийся двухзарядным донором с уровнями
- II -
0,52 эВ и £d - 0,75 эВ;
- экспериментально установлена роль носителей в эффектах ЙК гашения и усиления величины индуцированного тока: ток электронов в п°-слое при Ж подсветке гасится , а дырок - усили-
вается;
- показано, что с ростом толщины р°-слоя происходит уменьшение концентрации глубоких центров дефекта перестановки и комплекса вакансия - примесь; определен профиль изменения концентрации этих центров; обнаружена связь между концентрацией глубоких центров; и диффузионными длинами несиовных носителей в р° и п°-слоях;
- установлена оптимальная 'толщина р°-слоя высоковольтной приборной структуры, равная 25*35 мкм, обеспечивающая минимальные прямые падения напряжения в структуре и максимальные напряжения пробоя.
- 12 -
ГЛАВА I.
ЧАСТЬ I. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВ ЭЛЕКТР0НН0-30НД0ВЫМИ МЕТОДАМИ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)
§ 1.1. Генерация, диффузия и дрейф неравновесных носителей в полупроводниковом материале при облучении быстрыми
электронами
1.1.1. Взаимодействие первичных электронов с твердым телом.
Распределение функции генерации.
Электроны с энергией от I до 50 кэВ, падая на кристаллический материал, по мере проникновения в него теряют свою энергию, отдавая ее валентным электронам и электронам, находящимся на внутренних оболочках ядра /2_3/. Эти явления приводят к малым изменениям траектории движения высокоэнергичных электронов. Скорость электрона непрерывно замедляется.Пока электроны не замедлились до энергий в несколько электронвольт, вероятность возбуждения колебаний решетки крайне мала '2'. При неупругом столкновении происходит ионизация электронов атомов решетки и рождение свободныхгосителей. Подавляющее большинство образованных в результате ионизации вторичных электронов имеют сравнительно малые энергии, не более 10-15 эВ. "Горячие" вторичные электроны и дырки, помимо оптических фононов, способны также генерировать электронно-дырочные пары, пока их энергия выше некоторой пороговой, слегка превосходящей ширину запрещенной зоны. Неравновесные носители, возникающие на очень быстрой стадии развития каскада, приходят в равновесие с решет-
- {3 -
—12
кой за время порядка 10 сек, тогда как время жизни электроннодырочных пар на несколько порядков может быть больше.
Количественный расчет всей картины торможения быстрых электронов и размножения носителей пока невозможен. Неизвестны необходимые для этого дифференциальные сечения элементарных процессов, особенно в области промежуточных энергий (десяток и сотен электронвольт). На сегодняшний день теория располагает лишь полуэмпирическими законами, связывающими экспериментально установленные факты и величины /2“5/. проведенный в работе ^ подбор зависимости средней энергии образования одной пары неравновесных носителей Ее/) от величины запрещенной зоны полупроводника, наилучшиы образом удовлетворявдий экспериментальным данным, привел к формуле:
Ее/) -2.+0.8?э6 (1.1)
Ее/} является для каждого данного полупроводника величиной постоянной, не зависящей от энергии луча, и даже от типа излучения, применяемого для возбуждения материала.
Помимо торможения, при столкновении с электронами и атомами решетки быстрые первичные электроны в результате упругого взаимодействия с ними дритерпевают большие угловые отклонения от своей исходной траектории при незначительной потере энергии.Результатом этого является то, что остросфокусированный на поверхности образца электронный луч в пределах кристаллического материала оставляет след из вторичных электронов и дырок низкой энергии в некоторой области, приближенной к сферической с глубиной полного пробега электрона Яь /6/. Из-за конечной величины пробега ускоренных электронов, рожденные при взаимодействии
-14 -
с веществом электронно-дырочные пары имеют некоторое пространственное распределение, которое определяется из условия, что оно достаточно близко к распределению плотности потерь энергии первичными электронами внутри области торможения Имеется несколько моделей по определению области торможения первичных электронов с применением метода Монте-гКарло ^9//, а также различные варианты диффузионных моделей Хорошее
согласие с экспериментальными данными, хотя и дающее несколько завышенные значения области торможения % дает диффузионная модель, предложенная авторами работы /Ю/, согласно которой быстрые электроны в результате рассеяния на атомах мишени полностью теряют первоначальное направление на некоторой глубине Че. и далее движутся равномерно по всем направлениям, рождая электронно-дырочные пары, так что область торможения ограничена сферой, часть которой находится выше поверхности с радиусом К (рис.1.1), причем глубина 2е и радиус Я=Яе~2с увеличи-ваются с ростом ускоряющего напряжения пропорционально V В литературе обсуждаются также случаи,когда источники избыточных носителей распределены с расстоянием от центра по экспоненциальному закону по закону Гаусса как по глубине /Л?»
^, так и в поперечном направлении а таиже в ввде поли-
номиальной функции Наиболее близкое согласие с экспериментальными результатами было достигнуто в работе , в которой была применена Гауссова аппроксимация распределения плотности генерации носителей по глубине. В таблице 1-1 приведены результаты проведенного расчета зависимости размеров области генерации от ускоряющего напряжения для (го (\$ .
Рис. 1.1 Область торможения быстрых электронов в твердом теле.
1 г з
Рис. 1.2 Одноразмерное распределение неравновесных неосновных носителей Др , генерированных электронным зондом, сплошная линия $ -0?пунктирная $ = о° .
Рис. І.ЗИзоконцентрацїоинне кривые для неосновных носителей, генерированных при однородном распределении скорости генерации
др , в пределах пунктирной линии для /> . Числа опреде-
& Ні /?7/ ляют д^> в единицах -д-д •
-16 -
Таблица 1-1
V (кВ) 5 10 15 20 25 30 35
<Ь (мкм) 0.06 0.18 0.36 0.58 0.84 1.13 1.46
2е(мкм) 0.04 о.л 0.22 0.35 0.51 0.69 0.88
Я (мкм) о.н 0.36 0.70 1.12 1.62 2.19 2.82
Здесь <Ь - ширина Гауссова распределения.
Кроме формы объема возбуждения большой интерес представляет вопрос о распределении локальной скорости генерации электронно-дырочных пар. Простейшим является предположение об однородном распределении источников избыточных носителей с постоянной плотностью генерации электронно-дырочных пар в области торможения первичных частиц Т/0 . Выражение для скорости генерации электронно-дырочных пар в единице объема и в единицу времени в этом случае имеет вид:
& » ( { - Ч ) (1-2)
Бени; V1
где 1о - ток падающих на образец электронов, - отношение числа обратно рассеянных электронов к числу падающих, У -средняя энергия обратно рассеянных электронов. В работе была получена зависимость фактора коррекции потерь энергии первичного электрона, обусловленного обратно рассеянными электронами как функция ускоряющего напряжения для (та й$ , которая для У, = 20кВ равна 0,77 и для Ус = 45кВ она равна 0,75.
- 17 -
1.1.2. Диффузия и дрейф неравновесных носителей,генерированных
Заряженные носители, рождающиеся в процессе замедления быстрых первичных электронов в электрически нейтральном образце находятся в тепловом равновесии с решеткой и перемещаются со скоростью V* , определяемой при помощи следующего выражения
хаотичные столкновения с решеткой, изменяющей направление их движения. Таким образом траектория оказывается случайной и их коллективное движение должно описываться как процесс диффузии с коэффициентами диффузии 1)л и для электронов и дырок.
В процессе диффузии носителей имеет место их рекомбинация, которая, может быть как излучательной, так и безыздучательной, через ловушки В присутствии электрического ПОЛЯ &
носители приобретают направленное движение с дрейфовой скоростью для электронов И гГр -рр $ ДЛЯ дырок (где -ПОДВИЖНОСТЬ электронов, ухр - подвижность дырок).
Неравновесная концентрация носителей др , йП в зонах с учетом диффузии, дрейфа и рекомбинации определяется в результате решения уравнений непрерывности для электронов И дырок
где £-п , ир - времена жизни электронов и дырок, ^ п и ^ р -плотности тока, обусловленные движением дырок и электронов:
быстрыми электронами
(где: ГП - масса носителя, А - постоянная Больцмана, Т - температура) /2_3/. Носители испытывают
(1.4)
(1.3)
- Київ+380960830922