Введение к работе
Основной особенностью полупроводниковых материалов, обусловившей начало широкого их использования в приборах электронной техники, явилась чрезвычайно сильная зависимость электрических свойств от содержания примесей. Установление закономерностей, определяющих эту зависимость, открыло возможность эффективного управления свойствами не только конструкции, но и самого ее материала, что является отличительным признаком действительно современной тсхнолсшш.-Впослед—^--ГТВШІ былцисследованы и применены для гоздаппя конкрешых. приборов закономерности изменения состояния электронной подсистемы полупроводников под действием излучений, температуры и магнитного поля.
Лабильность этих веществ не исчерпывается, однако, отмеченными эффектами. Важной особенностью полупроводников с ковалентним характером химической связи является сильная взаимозависимость состояния и динамики электронной и атомной подсистем кристалла. Ее физической основой служит тот факт, что электроны в полупроводниках, в отличие от металлов и диэлектриков, выступают одновременно в двух ролях: подвижных носителей электрического заряда и носителей локализованных и ориентированных сил сцепления. Экспериментально эта взаимозависимость проявляется в таких эффектах, как фотостимулиро-ванная диффузия, рекомбинационно-стимулированные реакции дефектов (например, образование и отжиг дефектов,' скольжение и переползание дислокации), различные виды электронно-механической макрорелаксации, локальная релаксация решетки при электронных переходах п т.д.
До сих пор явления очерченного круга исследовались и объяснялись,-как правило, независимо друг от друга, вне какой-либо общей картины. Между тем она должна существовать ввиду отмеченной выше общности основы электронно-стимулированных атомных перестроек и электронных реакций, связанных с макро- и микроскопическими деформациями, в ковалентних полупроводниках. Следует ожидать, что разработка общей теоретической схемы данного круга явлений и ее применение для эффективного управления и контроля свойств материалов твердотельной электроники и динамики происходящих в них электронных и атомных процессов будет важной и практически значимой.
Вышеизложенным определяется актуальность темы исследования и его цели:
проанализировать представительный ряд эффектов, в которых проявляется взаимозависимость электронных и атомных реакций в полупроводниках;
разработать общую схему и методы теоретического описания этих эффектов;
с помощью известных и специально разработанных методов решить актуальные задачи кинетической теории взаимосвязанных электронных и атомных реакций дефектов и релаксационных явлений в твердых телах.
В рамках сформулированных общих целей решались следующие конкретные задачи:
-
Описание динамики электронного энергетического спектра при переключении ковалентной связи элементарном акте атомной реакции в полупроводнике.
-
Выяснение зависимости средней скорости элементарного акта атомной реакции от состояния электронной подсистемы полупроводника.
-
Интерпретация в рамках разработанных представлений экспериментальных данных по электронно-стимулированной подвижности дислокаций в ковалентних полупроводниках и подпороговому де-фектообразованию при интенсивном освещении кремния.
-
Формулирование общей задачи о взаимосвязи подвижности структурных дефектов в кристаллическом потенциальном рельефе и электронных реакций на дефектах; решение ее для простейшей модели.
-
Применение метода, разработанного для решения задачи п.4, к анализу атомной диффузии и дрейфа в кристаллическом п неупорядоченном потенциальном рельефе.
-
Доказательство связи особенностей механической релаксации, обнаруженных в внсокоомных пьезополупроводниках A111Bv и A"Bv\ с релаксацией заряда носителей, связанных на компенсирующих дефектах с глубокими уровнями.
-
Анализ кинетики релаксации заряда в полупроводниках с глубокими уровнями в условиях электромеханической релаксации, связанной с глубокими уровнями.
-
Анализ кинетики нетермической эмиссии носителей с глубоких уровней (туннелированпя с отталкивающих ловушек).
Научная новизна результатов исследования определяется тем, что в нем впервые:
разработана схема динамики электронного энергетического спектра при элементарном акте атомной реакции в ковалентних полупроводниках 7_ переключении или разрыве химической связи;
на ее основе построен последовательный метод описания влияния равновесных и неравновесных носителей на скорость реакций дефектов в зависимости от электронного спектра последних п положения уровня (квазиуровней) Ферми;
предсказана возможность и предпочтительные условия наблюдения электронно-стимулированной подвижности дислокаций в германии;
предложена система уравнений, описывающих взаимосвязь подвижности структурных дефектов и электронных переходов через локализованные на них состояния;
разработан метод решения возникающих при этом задач диффузионного типа сведенцем к уравнению Рпккатп специального вида; установлена структура и свойства физических решений последнего; предложен эффективный метод их построения;
установлена точная асимптотика (на больших временах) решения задач о диффузии в макроскопически однородном (а микроскопически
периодическом пли случайном) потенциале;
показано, что в неупорядоченных твердых телах при понижении температуры и/или уменьшении пространственно-временных масштабов имеет место непрерывный переход от нормальной к аномальной диффузии;
получен общий вид закона аномальной диффузии в одномерной модели неупорядоченного твердого тела при произвольном распределении значений потенциального рельефа;
найдено представление затухания пэгпбных колебаний пьезополу-проводника в впде функционала от отклонения плотности заряда носителей (свободных и связанных на ловушках) от равновесной;
обнаружена возможность возбуждения волны пространственной перезарядки ловушек со сложным законом дисперсии при изгибных колебаниях аысокоомного пьезополупроводника;
установлено, что время жизни квазистационарного состояния носителя на одноименно заряженной ловушке зависит только от его энергии и не зависит от характеристик ловушки;
— обнаружена фундаментальная верхняя граница возможных энергий квазистационарного состояния носителя на одноименно заряженной ловушке, обусловленная принципом неопределенности Гейзенбсрга.
На защиту выносятся следующие основные положения:
-
На основе разработанной в диссертации схемы динамики электронного энергетического спектра при переключении ковалентной связи может быть единым образом интерпретирован широкий круг электронно-стимулированных атомных реакций и электронных реакций, связанных с движением атомов, в полупроводниках.
-
В рамках такого подхода возможно, исходя из доступных экспериментальных данных и достаточно общих физических соображений, получение содержательных выводов о знаке, величине, возможности и оптимальных условиях наблюдения электронно-стимулированной подвижности дефектов, о температурной зависимости эффективной скорости безызлучательных электронных переходов и т.д.,
-
Разработанный в диссертации метод решения задач диффузионного типа эффективен при исследовании распространения волн и частиц в средах, однородных в больших и неоднородных в малых масштабах. Так, полученное с его помощью решение задачи о диффузии в случайном стационарном потенциале показывает, что в любой неупорядоченной твердотельной системе диффузия в масштабах, меньших некоторого критического (который может быть и бесконечно большим), аномальна. Аномальный режим диффузии характеризуется малостью средних значений величин по сравнению с их флуктуаци-ями, бесконечной энергией активации и мезоскопическими эффектами. При изменении рассматриваемых масштабов или температуры происходит переход к нормальной диффузии.
-
Особенности механической релаксации, обнаруженные в высокоом-ных пьезополупроводниках, прямо связаны с релаксацией электронной подсистемы (релаксацией заряда) в пьезоэлектрическом поле. Релаксация заряда является немаксвелловской, имеет кинетику, сложным образом зависящую от параметров полупроводника, и может сопровождаться возбуждением волны пространственной перезарядки глубоких центров, компенсирующих материал. Кинетика релаксационного процесса в высокоомных полупроводниках контролируется выбросом носителей г глубоких центров.
Совокупность разработанных в диссертации теоретических представлений, методов н их приложений к анализу и интерпретации конкретных проблем физики твердого тела можно квалифицировать как новое крупное достижение в развитии перспективного научного направления «Кинетика взаимосвязанных электронных и атомных реакций дефектов» в физике твердого тела.
Практическая ценность результатов исследования определяется сле
дующими соображениями. __. _._ ...
Во-первых, можно рассчитывать, что построение общей картины взаимообусловленных электронных п атомных реакций дефектов в полупроводниках окажется полезным благодаря взаимному дополнению и согласованию известных частных подходов и результатов.
Во-вторых, разработанные представления могут быть использованы при разработке технологий эффективного контроля и управления свойствами полупроводниковых материалов и динампкоп происходящих в них электронных и атомных процессов.
В-третьих, разработанный оригинальный метод решения задач диффузионного типа оказывается эффективным при исследовании достаточно широкого класса проблем физики твердого тела.
Наконец, в-четвертых, по тематике исследования получено два авторских свидетельства.
Апробация работы. Результаты, представленные в диссертации, докладывались на:
— X Всесоюзной конференции по физике полупроводников- (Минск
""1985)':"
VII Всесоюзной конференции по процессам роста и синтеза полупроводниковых кристаллов и пленок (Новосибирск 1986);
V Международном симпозиуме по структуре и свойствам дислокаций в полупроводниках (Москва 1986);
XIII Всесоюзном совещании по теории полупроводников (Ереван 19S7)
XI Всесоюзной конференции по физике полупроводников (Кишинев 1988):
Всесоюзной конференции «Внутреннее трение в исследовании металлов, сплавов н неметаллических материалов» (Батуми 1988);
III Всесоюзной конференции «Физические основы надежности и деградации полупроводниковых приборов» (Кишинев 1991);
школе-семинаре «Релаксационные явления в твердых телах» (Воронеж 1993);
VI семинаре «Структура дислокаций и механические свойства металлов и сплавов» (Екатеринбург 1993);
I Национальной конференции по дефектам в полупроводниках (Санкт-Петербург 1993);
~ I Украинской конференции по структуре и физическим свойствам неупорядоченных систем (Львов 1993).
Публикации. По материалам исследования опубликовано 30 работ. Содержание диссертации достаточно полно отражено в 18 основных публикациях, список которых приведен в конце автореферата. Личный вклад соискателя может быть охарактеризован следующим образом:
работы [6,10,11,17] выполнены без соавторов;
в работах [1,2,4,12,18] постановка задачи и анализ результатов выполнены совместно с соавторами; соискателю принадлежит выбор метода решения и само решение;
в работах [13-15] соавторам принадлежат экспериментальные результаты; постановка, решение задачи и анализ результатов выполнялись совместно: в диссертации отражены те результаты из соответствующих публикаций, в получении которых участие соискателя было основным или существенным;
в работах [3,5,7-9,16] соавторам принадлежат .экспериментальные 2>езультаты; постановка и решение теоретических задач по их интерпретации принадлежат соискателю; анализ результатов выполнялся совместно;
в изобретениях [19,20] соискателю принадлежит теоретическое обоснование достоверности способов, являющихся предметом изобретения.
Структура И объем диссертации. Диссертация состоит из 6 глав, включая введение (глава Г), и основных выводов. В главах II-V1 начальный параграф содержит обзор литературы и вытекающую из него общую формулировку проблемы, рассматриваемой в главе; в заключительном параграфе фо2»П'лируются выводы по данной главе. Общий объем диссертации составляет 223 страницы, включая 34 рисунка, 8 таблиц, оглавление н список литературы пз 250 ссылок.
