2
Введение
Глава 1
1.1.
1.2.
1.2.1.
1.2.2.
1.2.2.1. 1.2.2.2. 1.3.
1.3.1.
1.3.2.
1.4. Глава 2.
2.1.
2.2.
2.3.
2.3.1.
2.3.2.
2.3.3.
2.4.
2.4.1.
2.4.2.
2.5.
Содержание.
Влияние электрического поля на вероятность безызлу нательных н оптических переходов с участием глубоких центров в ваМ. 13
Основные электрофизические свойства СвАб. 13
Дефекты в ОаАя. 15
Примеси 15
Собственные дефекты 18
Ловушка ЕЬ2. 18
Комплексы Vc.rO 20
Электронно-колебательные переходы в полупроводниках в присутствии электрического поля. 23
Однокоординатная модель. 24
Модели. описывающие электронно-
колебательные переходы с глубоких примесных центров в сильных электрических ПОЛЯХ. 29
Выводы. , 33
Расчет полевых зависимостей скоростей эмиссии носителей с глубоких примесных центров, опирающийся на экспериментальную форм-функцию оптического перехода. 34
Алгоритм расчега полевых зависимостей скорости эмиссии с глубоких центров. 34
Квантово-механический расчет вероятности безызлучательного перехода с локализованных состояний глубоких центров. 35
Экспернме!Ггальное определение форм-функции оптического перехода по спектрам фотолюминесценции. - 38
Образцы для исследования. 38
Спектры фотолюминесценции эпитаксиальных слоев ОаАя. 39
Расчет форм-функцни излучения для комплекса в в а Аз из экспериментальной полосы люминесценции. 45
Создание и исследование барьеров Шотгки №-СаАэ. • 47
Создание на исследуемых пластинах ОаАзгЭ поверхностно - барьерных контактов металл-полупроводник. ' 47
Исследование контактов МЮэАб. 50
Измерение полевой зависимости скорости
3
эмиссии дырок с глубокого уровня комплекса V0*Sm в GaAs.
2.6. Расчет полевой зависимости скорости эмиссии дырок с глубокого уровня комплекса VGlSAj в GaAs и сопоставление его с экспериментальными данными.
2.7. Выводы.
Глава 3. Расчет вероятности безызлучательных
электронных переходов в однокоординатном приближении.
3.1. Расчет моментов форм-функций оптических переходов и анализ характеристик электронных переходов.
3.1.1. Расчет первых моментов полос излучения комплексов V^Sa, И VoaSnc,.
3.1.2. Анализ моментов полос излучения комплексов VouSm и VoiSno».
3.2. Определение параметров электрон-фононного взаимодействия. Построение конфигурационно-координатных диаграмм.
Расчет полевых зависимостей скоростей термической эмиссии на основании моделей однокоордннатного приближения.
Анализ применимости однокоординатной модели к описанию полевой зависимости скорости эмиссии дырок с глубокою уровня комплекса VcaSAl в GaAs.
3.5. Выводы.
Глава 4. Расчет вероятности оптических переходов в
сильных электрических полях.
4.1. Расчет вероятности фотоионизации глубоких центров в сильных электрических ПОЛЯХ.
4.2. Измерение сечений фотоионизации электронов на глубоком цегггре комплекса V^-S^ в GaAs.
4.3. Расчет форм-функции полосы оптического
поглощения комплекса V^-Sa*.
4.3.1. Расчет форм-функщш полосы поглощения
комплекса Vqj-Sa, из экспериментальных спектров сечения фотопроводимости.
4.3.2. Расчет форм-функцни полосы поглощения
комплекса Vca-S/v* из форм функции полосы его излучения.
4.3.3. Сравнение форм-функций полосы поглощения комплекса VGrSA„ полученных разными методами при различных полях.
4.4. Расчет полевой зависимости сечения
57
3.3.
3.4.
61
65
66
66
66
70
74
79
86
86
88
88
91
99
99
À
102
102
4
фотононшации глубокого центра в СаЛч,
на основании форм-функции полосы оптического поглощения. 109
4.5. Расчет полевой зависимости вероятности фотоионизации глубокого центра Уо,-$л* в ОаАч,
в однокоордикатном приближении. 111
4.6. Выводы. 114
Глава 5. Анализ механизмов переноса тока,
определяющих характер обратных
вольтамнерных характеристик
полупроводниковых приборов на основе СаА.ч. 115
5.1. Описание образцов. Измерение вольтамперных
характеристик. 115
5.2. Расчет электрического поля в варикапе.
Обсуждение характера полевых зависимостей обратного тока. 121
5.3. Расчет параметров модели стимулированного
фононам туннелирования. 127
5.4. Выводы. 131
Основные выводы 134
Список использованной литературы 138
4
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 исследования таких процессов особенно возросла 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 Шотткн на основе АзВ? в СВЧ технике, оптике и оптоэлектронике.
В настоящее время ведется разработка и проектирование полупроводниковых приборов и интегральных микросхем СВЧ диапазона с применением полевых транзисторов с затвором Шотгки на основе ваАв. Данное направление СВЧ техники определилось как самостоятельное. Эти приборы широко используются в радиоприемной, радиопередающей и измерительной аппаратуре СВЧ диапазона. В таком случае возникает ряд новых задач, связанных в частности, с необходимостью увеличения входного сопротивления затвора полевых транзисторов на ОаАь, а1 также существенного улучшения характеристик других приборов - к примеру, добротности и коэффициента перекрытия по емкости СВЧ-варикапов.
Таким образом, развитие полупроводниковой СВЧ электроники и интегральных микросхем с применением полевых транзисторов с затвором
6
Шоттки на основе ваАя является основанием для более летального исследования самого материала и электронных процессов, происходящих в ОГО приборов на его основе.
При описании данных процессов часто ограничиваются простыми моделями, основанными на ряде приближений квантовой теории твердого тела. Однако для комплексного понимания электронных процессов в ОПЗ контактов металл - полупроводник, а следовательно, и работоспособности приборов этого недостаточно. Поэтому исследование механизмов переноса носителей заряда в ОПЗ и их влияния на электрические свойства приборов является актуальной задачей и имеет существенное научное и практическое значение.
Цель работы. Целыо работы является исследование механизмов увеличения вероятности электронных переходов с глубоких центров в ОПЗ полупроводниковых приборов и влияния этих процессов на обратные вольт-амперные характеристики контактов металл - полупроводник. Для достижения данной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
• получение выражения для вероятности оптического и безызлучательного переходов между вырожденными электронными состояниями дефекта в полупроводнике в электрическом поле;
• определение параметров электронно-колебательного взаимодействия, сопровождающего ионизацию глубоких центров;
• экспериментальная проверка полученных теоретических выражений па примере арсснида галлия, содержащего примесные комплексы Уса$А4 (с серой), Ус^п^а (с оловом) и ловушку ЕЬ2;
• сопоставление расчетов полевых зависимостей вероятностей электронных переходов с глубоких центров, создаваемых комплексами Уоа$Ав и У(л$Пса в баАя, выполненных с использованием форм-функций
7
оптических переходов и полученных из эксперимента параметров однокоординатной модели.
Научная новизна работы.
1. Теоретически обоснованы и экспериментально проверены выражения для вероятности оптических и безызлучательных переходов между вырожденными электронными состояниями дефекта в электрическом поле в виде уравнения свертки форм-функции оптического перехода и соответствующей вероятности чисто электронного перехода.
2. Проанализированы пределы применимости однокоордииатной модели для описания электронно-колебательных переходов с глубоких примесных центров, создаваемых комплексами \|Га15/и, \ч-„Япо, и ловушкой ЕЬ2 в ОаА$ в электрическом поле.
3. Определены параметры элсктрон-фононного взаимодействия комплексов \;са8д1 и \'(;а8п(;д в ОаАБ, на основании чего рассчитаны вероятности оптических и безызлучательных переходов между электронными состояниями этих комплексов в электрическом поле.
4. Выполнены расчеты параметров адиабатических потенциалов конфигурационно-координатных кривых комплекса VGaSAз в электрическом поле.
5. Выявлены механизмы, обуславливающие ток обратносмешенных контактов металл - СзАб и определяющие добротность СВЧ-варикапов на основе СаАя.
Практическая ценность.
1. Разработаны методы и алгоритмы определения форм-функций оптических переходов, а также параметров электрон-фононного взаимодействия на основании исследования спектров поглощения и люминесценции глубоких ловушек в арсениде галлия.
8
2. Разработаны и экспериментально проверены методы определения кинетических коэффициентов ловушек, расположенных в нижней половине запрещенной зоны полупроводника п-типа.
3. Определены параметры электрон-фононного взаимодействия комплексов Уо^д,. и Уо^Пса в ваЛя, такие как: энергии чисто электронных, термических и оптических переходов, фактор Хуанга и Рис, частоты эффективных фононов, описывающих адиабатические потенциалы основного и возбужденного состояний комплексов. Построены конфигурационно-координатные диаграммы комплексов У^Бл* и Уоа^поа. Определены значения стоксового сдвига.
4. Выявлены причины уменьшения добротности СВЧ-варикапов и входного сопротивления полевых транзисторов с барьером Шоттки.
Основные положения, выносимые на щщнту.
1. Вероятности оптического и безызлучательного переходов между вырожденными состояниями глубокого центра хорошо описываются интефалом свертки форм-функции полосы оптического поглощения с соответствующими вероятностями чисто электронных переходов.
2. Для описания вероятности электронно-колебательных переходов в электрическом поле с локальных состояний комплексов УбаБлз и Уаа8по« допустимо использование однокоординатного приближения.
3. Форм-функцию полосы поглощения можно рассчитать из спектров фотолюминесценции с помощью параметров однокоординатной модели и формул Эджворта, а также из спектров сечения фотоионизации путем решения интегрального уравнения свертки одним из методов регуляризации.
4. В электрических полях уменьшается величина энергии чисто электронного перехода между электронными состояниями комплекса Ус.$ А>, что приводит к сближению адиабатических потенциалов комплекса на конфигурационной диаграмме.
9
5. Обратные вольт-амперные характеристики контактов металл -арсснид галлия описываются моделью туннелирования с участием глубокой ловушки EL2, причем электронно-колебательное взаимодействие приводит к увеличению тока через барьер.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на VI научно-практической конференции молодых ученых Ульяновского государственного университета (Ульяновск, 1997), Международной конференции «Центры с глубокими уровнями в полупроводниках» (Ульяновск, 1997), Международной конференции «Физические процессы в неупорядоченных полупроводниковых структурах» (Ульяновск, 1999).
Публикации. Основные результаты диссертации представлены в 9 печатных работах.
Структура и объем работы. Работа изложена па 150 страницах машинописного текста, содержит 67 рисунков, 3 таблицы, библиографию из 139 наименований. Состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы.
Краткое содержание работы.
Глава 1 содержит обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследованию механизмов ионизации глубоких примесных центров в полупроводниках и электрофизическим свойствам арсенида галлия. Показано, что существенную роль в достаточно широком классе процессов (безызлучательных 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
10
зависимостью. Приведен обзор работ, исследующих подобные процессы. Отмечено, что все приведенные выражения для вероятности электронно-колебательных переходов в присутствии электрического поля построены в рамках однокоординатной модели. Показаны достоинства и недостатки однокоординатной модели, а также случаи, в которых она может быть не применима для расчета нолевых зависимостей и возникает потребность в более общем подходе к исследованию многофононных процессов с участием глубоких центров в полупроводниках.
В главе 2 разработан новый алгоритм расчета полевых зависимостей скоростей эмиссии, опирающийся на экспериментальные спектры оптических переходов. Для этого выполнен квантово-механический расчет вероятности безызлучательного перехода с локализованных состояний глубоких центров, согласно которому вероятность перехода с учетом электрон-фононного взаимодействия может быть в общем виде выражена уравнением свертки вероятности чисто электронного перехода с форм-функцией оптического перехода, представляющей собой вклад в вероятность перехода электрон-фононного взаимодействия.
Проведено сравнение разработанного алгоритма расчета полевых зависимостей скоростей эмиссии с экспериментом для комплекса в
арсснидс галлия. Для этого на пластинах ваЛз, легированных серой и оловом, были измерены спектры фотолюминесценции. Вычислены форм-функции ПОЛОСЫ оптического излучения комплекса Уц^Да- Путем электрохимического осаждения никеля получены контакты ЫНэаАзгЗ, на которых проводились измерения кинетики релаксации фотосмкости ОГ13 при выключении света, что позволило рассчитать экспериментальные полевые зависимости скорости эмиссии дырок с комплекса УСа5Лл-
13 главе 3 проведен анализ пределов применимости однокоординатной модели для описания электронно-колебательных переходов с глубоких примесных центров, создаваемых комплексами
II
УаЛи и в ваАя в электрическом поле. Для этого из спектров
излучения комплексов Уо*5*| И Уо^Пса построены форм-функции соответствующих переходов, рассчитаны первые моменты форм-функций и проведен анализ их температурных зависимостей. Показано, что форма спектров оптических переходов комплексов УсЭдл И УоаБПоа в ОаАБ может быть описана с помощью однокоординатной модели, характеризующейся четырьмя параметрами элсктрон-фононного взаимодействия, такими как: энергия чисто электронного перехода, факгор Хуанга и Рис, частоты эффективных фононов, описывающих адиабатические потенциалы основного и возбужденного состояний комплексов. Используя данные параметры, рассчитаны зависимости скорости эмиссии дырок с комплекса У0*5 а, от напряженности электрического поля. Построены конфигурационно-координатные диаграммы комплексов Ус»$а* и Уоа5пСа-
В главе 4 выполнен квантово-механический расчет вероятности оптической ионизации глубоких центров в электрическом поле. Получено выражение для вероятности перехода с учетом элсктрон-фононного взаимодействия, которое позволяет вычислять полевые зависимости скорости оптического перехода с глубокого уровня в зону, не переходя к однокоординатной модели и не упрощая сложное взаимодействие электронов с решеткой. Используя параметры электрон-фононного взаимодействия комплекса Ус.»5л*, проведен расчет полевых и спектральных зависимостей сечений фотоионизации носителей на глубоком центре, созданном данным комплексом.
Для сравнения приводимых теоретических выражений методом кинетики релаксации емкости ОПЗ диодов Шоттки М-ОаАя при включении и выключении света, были измерены полевые и спектральные зависимости скорости оптической эмиссии и сечения фотоионизации электронов па глубоком центре, создаваемом комплексом Ус»-5д*-
12
Сделан расчет форм-функций оптической полосы поглощения комплекса Уоа$лл в СаАз из экспериментальных спектров сечений фотоионизацин 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 исследуемог о центра вдоль оси энергий.
В главе 5 проведены измерения прямого и обратного тока, созданных в лабораторных условиях, диодов Шотткн КЧ-ОаАэ^ и промышленных СВЧ-вариканов на основе контактов Мо-СаЛв^ь Показано, что ВАХ при прямом смещении определяются суперпозицией термоэлектронных и туннельных токов через ОПЗ контактов. ВАХ при обратном смещении описываются механизмом стимулированного фононамн туннелирования электронов из металла в полупроводник с участием глубокого центра, соответствующего ловушке ЕЬ2. При этом из температурных зависимостей обратного тока получены параметры элскгрон-фононного взаимодействия для ловушки ЕЬ2. Исследуемые механизмы переноса определяют входное сопротивление транзисторов с барьером Шоттки и добротность СВЧ варикапов на базе контактов металл - ваАБ.
«3
Глава 1.
Влияние электрического поля на вероятность безызлучательных и оптических переходов с участием глубоких центров в ОаА8.
1.1. Основные электрофизические свойства СаАя.
Большое внимание к ОаАэ в начальный период исследования соединений типа А3В^ было связано с представлением о том, что на основе ваАз возможно создание высокочастотных и высокотемпературных транзисторов, гак как подвижность электронов в нем значительно выше, а их эффективная масса почти на порядок меньше, чем в Се. Однако эти ожидания не оправдались, т.к. время жизни носителей в СаЛя оказалось весьма малым.
Первые важные области применения СаА$ были связаны с использованием его для производства туннельных диодов. Значительную роль СаАя играет в производстве фотопреобразоватслей солнечной энергии в электрическую.
Наиболее .массовое применение ваАв получил в производстве диодных источников спонтанного и когерентного излучений. На основе ОаАэ 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
4
растворы СаАэ с ваР и А1А$.
Электрофизические свойства ваЛь подробно рассмотрены в ряде монографий [1-3]. Некоторые из них кратко приводятся ниже.
- Киев+380960830922