Содержание к диссертации
Введение
1. Диффузионные структуры на основе GaAs, легированного примесями Сг и Fe: получение и свойства .
1.1. Диффузия хрома и железа в GaAs ...
1.1.2. Диффузия хрома в GaAs
1.1.3. Диффузия железа в GaAs
1.2. Свойства электронно-дырочных переходов, полученных диффузией Сг, Fe в GaAs
1.2.1. Вольт-амперные характеристики к-v-n структур.
1.2.2. Влияние типа структуры на вольт-амперные характеристики S-диодов
1.2.3. Влияние геометрических размеров структуры на ВАХ S-диодов
1.2.4. Влияние концентрации доноров на ВАХ S-диодов
1.3. Приборы на основе «-GaAs легированного Fe, Сг в процессе диффузии
1.3.1. Лавинные переключающие S-диоды
1.3.2. Фотоприемники широкого спектрального диапазона..
1.3.3. Детекторы высокоэнергетических частиц и ионизирующих излучений
1.4. Выводы к первой главе и постановка задачи.
2. Экспериментальные методики и способы изготовления образцов структур и приборов
2.1. Получение и исследование диффузионных структур..
2.1.1. Способы изготовления диффузионных структур на основе GaAsrFe, Сг
2.1.2. Методы исследования диффузионных структур.
2.2. Изготовление и исследование приборов на основе диффузионных структур
2.2.1. Методики изготовления образцов S-диодов.
2.2.2. Методики измерения электрических характеристик S-диодов.
3. Исследование диффузии хрома и железа в GaAs 79
3.1. Диффузия хрома в GaAs в потоке аргона 80
3.2. Диффузия железа в GaAs в запаянных ампулах ..91
Выводы к третьей главе . .98
4. Исследование электрических характеристик диффузионных структур на основе GaAs, легированного Fe и Сг .100
4.1. Исследование влияния толщины тг-слоя на обратную В АХ яг-у-я-структур на основе GaAs:Fe ..100
4.2. Исследование ВАХ яг-у-я-структур на основе GaAs, легированного примесью Сг .119
4.3. Исследование ВАХ S-диодов на основе диффузионной л -структуры .133
Выводы к четвертой главе ..143
5. Применение структур на основе GaAs, легированного примесью железа, хрома .144
5.1. Высокоомные диффузионные слои GaAs, легированные хромом, для детекторов ионизирующих излучений .144
5.2. Высоковольтные S-диоды и формирователи импульсов. .152
5.3. Диффузионные n+-K-v-n-p (р+-n-n-v-ri) структуры на основе GaAs, легированного железом, для S-транзисторов...159
Выводы к пятой главе .168
Заключение ..169
Список литературы 171
Приложение А 185
- Свойства электронно-дырочных переходов, полученных диффузией Сг, Fe в GaAs
- Изготовление и исследование приборов на основе диффузионных структур
- Диффузия железа в GaAs в запаянных ампулах
- Исследование ВАХ яг-у-я-структур на основе GaAs, легированного примесью Сг
Введение к работе
Актуальность работы
Вся современная элементная база микроэлектроники построена на основе полупроводников, легированных «мелкими» примесями. В последние 10-15 лет в Томском госуниверситете активно развивается элементная база функциональной электроники, в основе которой лежат технологии легирования примесями с глубокими уровнями и создание многослойных полупроводниковых структур. Многослойные структуры на основе арсенида галлия, легированного примесями хрома или железа (GaAs:Cr,Fe), успешно используются для изготовления целого ряда приборов. Среди них основными являются импульсные лавинные S-диоды, фотоприемники ультрафиолетового диапазона, детекторы заряженных высокоэнергетических частиц, рентгеновского и гамма-излучений. По совокупности основных параметров данные приборы не уступают ближайшим аналогам.
Диффузия Сг и Fe в w-GaAs как способ изготовления компенсированных структур используется более 30 лет. Она удобна технологической простотой и малыми финансовыми затратами по сравнению с эпитаксиальными методами. Однако, в диффузионной технологии компенсированных структур имеется ряд нерешенных проблем. Одной из таких проблем является сложность получения компенсированных слоев толщиной более 1 мм для чего необходимы высокие температуры и большие времена диффузии, при которых возможна термоконверсия материала. Другой проблемой является относительно невысокий процент выхода диффузионных S-диодов с требуемыми параметрами. Это связано с недостаточной изученностью влияния параметров диффузионных профилей на механизмы переключения и параметры S-диодов. Ранее при анализе результатов предполагалось, что при диффузии примесей Сг или Fe в GaAs формируется не плавный, а резкий я'-у-переход. Такое упрощение позволило обосновать некоторые эмпирические зависимости и предложить технологические маршруты изготовления приборных структур, однако оно не является корректным, поскольку диффузионные электронно-дырочные переходы следует рассматривать как плавные. Кроме того, отсутствие надежных сведений о диффузионных параметрах электрически активных атомов Сг и Fe в GaAs не позволяло ранее описывать характеристики приборов с учетом точного распределения данных примесей. В частности, представленные в литературе данные по коэффициентам диффузии хрома в GaAs отличаются при одних и тех же температурах более чем на 3 порядка, что, очевидно, связано с различными условиями легирования. Данных о температурной зависимости растворимости электрически активных атомов Сг и Fe в GaAs в литературе не представлено.
Из вышеизложенного следует, что управление электрическими характеристиками приборных диффузионных структур требует тщательного исследования диффузионных процессов, лежащих в основе технологии их получения. Помимо получения фундаментальных данных по диффузии, такое исследование позволяет предложить новые пути управления характеристиками изготовляемых приборов.
Целью диссертационной работы является установление закономерностей, связывающих электрофизические характеристики диффузионных GaAs:Cr и GaAs:Fe структур с электрическими параметрами приборов, изготовленных на их основе. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
Исследовать температурные зависимости растворимости и коэффициента диффузии Сг и Fe в GaAs, лежащие в основе технологии многослойных структур с примесями с глубокими уровнями.
Изготовить полупроводниковые структуры и приборные элементы с различными профилями распределения примесей Сг и Fe в GaAs в процессе диффузии.
Исследовать закономерности протекания тока в приборных структурах с глубокими центрами от типа и градиента распределения примеси, типа и параметров структур, задаваемых условиями диффузионного легирования. Объектом исследования являлись многослойные структуры на основе
GaAs, легированного в процессе диффузии примесями хрома (GaAs:Cr) и железа (GaAs:Fe), создающими глубокие энергетические уровни.
Экспериментальное определение профилей распределения, коэффициентов диффузии и растворимостей примесей осуществлялись методом р-п -перехода, методом двух образцов и аппроксимацией профилей функцией дополнения интеграла ошибок до единицы. Экспериментальные исследования статических и динамических вольт-амперных характеристик (ВАХ) проводились при помощи стандартных измерительных методик (статические характеристики измерялись в интервале температур от -10 до +75 С, измерение обратной ВАХ после переключения проводили в импульсном режиме при комнатной температуре в схемах автогенератора и обострителя).
Научная новизна
Впервые определены температурные зависимости коэффициента диффузии и растворимости Сг в GaAs при диффузии в открытой системе (в потоке инертного газа).
Впервые определена температурная зависимость растворимости электрически активных атомов Fe в GaAs при диффузии в запаянных ампулах при высоком давлении паров мышьяка (Р > 1 атм).
Получены новые экспериментальные данные о закономерностях протекания тока при обратном смещении лавинных S-диодов в зависимости от толщины базы (лг-слоя) и влиянии инжекции неравновесных электронов с тылового контакта к лг-слою на статические характеристики лавинных S-диодов.
Предложен новый тип многослойной полупроводниковой структуры и способ её изготовления в процессе двойной диффузии Сг и Fe в w-GaAs, позволяющие создать высоковольтные лавинные S-диоды; исследованы температурные зависимости В АХ высоковольтных структур. Практическая значимость
Результаты исследования температурных зависимостей коэффициента диффузии и растворимости примеси Сг в GaAs в открытой системе используются в серийном производстве полупроводниковых структур для многоэлементных детекторов ионизирующего излучения с максимальной толщиной активной области (до 1 мм и более).
Результаты исследования температурных зависимостей коэффициента диффузии и растворимости примеси Fe в GaAs в запаянных ампулах использованы при получении лабораторных образцов S-диодов с улучшенными характеристиками и могут быть использованы при разработке технологии изготовления промышленных образцов импульсных лавинных S-диодов.
Предложенные и исследованные в работе многослойные структуры ж е-ж г-v г-п-тиш использовались для изготовления лабораторных образцов лавинных S-диодов с повышенным значением напряжения переключения (до 650 В).
Практическая значимость работы подтверждается выполнением следующих научно-исследовательских программ, в рамках которых проводилась диссертационная работа: межотраслевая научно-техническая программа сотрудничества Министерства образования Российской Федерации и Министерства Российской Федерации по атомной энергии по направлению «Научно-инновационное сотрудничество» (2005 г.); ведомственная научная программа «Развитие научного потенциала высшей школы», подпрограмма 2: «Прикладные исследования и разработки по приоритетным направлениям науки и техники» (2005 г.); федеральная целевая научно-техническая программа «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002-2006 годы» по приоритетному направлению «Развитие инфраструктуры» (2006 г.); программа «Участник молодежного научно-инновационного конкурса», проводимая Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере при поддержке Федерального агентства по науке и инновациям и Федерального агентства по образованию (2007, 2008 гг.).
Научные положения, выносимые на защиту
Диффузия хрома в GaAs для открытой системы протекает по диссоциативному механизму; образование повышенной концентрации вакансий мышьяка обуславливает более высокий коэффициент диффузии хрома в GaAs для открытой системы в сравнении с закрытой при одинаковых температурах диффузии.
Переключение лавинных S-диодов, полученных диффузией Fe и Сг в w-GaAs, в проводящее состояние осуществляется в условиях развитого лавинного пробоя лг-у-перехода по микроплазмам и инициируется неравновесными электронами, инжектированными из прямосмещенного контакта к лг-слою; это обуславливает слабую зависимость напряжения переключения и существенное уменьшение силы тока переключения с уменьшением толщины базы.
Управляемое понижение сопротивления части лг-области вблизи контакта приводит к усилению лавинных процессов в области объемного заряда яг-v-перехода вследствие перераспределения напряжённости электрического поля в GaAs:Cr структуре; это обуславливает снижение инжекции с прямосмещенного контакта в высокоомную тг-область, что обеспечивает увеличение напряжения переключения S-диодов.
Апробация результатов
Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на международной конференции «Современные проблемы физики и высокие технологии» (г. Томск, 2003), на 4-ой и 6-ой Школах-семинарах молодых ученых «Современные проблемы физики, технологии и инновационного развития» (г. Томск, 2003, 2005 гг.), на 9-ой и 10-ой Российских научных студенческих конференциях «Физика твердого тела» (г. Томск 2004, 2006), на международных конференциях «SIBCON» (IEEE International Siberian conference on control and communication, Tomsk, 2005, 2007, 2009), на 9-ой Международной конференции «Арсенид галлия и полупроводниковые соединения группы III-V» (г. Томск, 2006), на Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы радиофизики» (г. Томск, 2008).
Публикации Основные результаты диссертации опубликованы в 16 печатных работах, 7 из которых - в изданиях, включенных в список ВАК.
Структура и объем диссертации
Свойства электронно-дырочных переходов, полученных диффузией Сг, Fe в GaAs
Глубокие профили хрома в GaAs (до 150 мкм) впервые были получены и исследованы в работах [36-38]. Диффузия изучалась с использованием в качестве индикатора радиоактивного изотопа 51Сг. Диффузия Сг проводилась в легированные оловом или теллуром пластины GaAs с ориентацией (100), выращенного по методу Бриджмена. Концентрация электронов составляла (1-3)-1017 см"3. Диффузия хрома в GaAs осуществлялась в откачанных до давления 10 5 мм рт. ст. кварцевых ампулах в температурном диапазоне (800-1150) С из напылённых слоев хрома, нанесённых как на чистую поверхность арсенида галлия, так и на защищенную плёнкой двуокиси кремния толщиной 0,12 мкм. Давление паров мышьяка изменяли от 0,001 до 2 атм, время диффузии варьировали от 2 до 40 часов. Профили хрома в GaAs, полученные в работах [36-38], приведены на рисунках 1.3 и 1.4. Видно, что профили состоят из двух участков - приповерхностного (в общем случае не описываемого erfc-функцией), и объёмного (описывается er/Ь-функцией удовлетворительно). Авторы указывают, что давление мышьяка оказывает существенное влияние лишь на приповерхностный участок - увеличение давления подавляет его. Следует отметить, что в случае диффузии Fe в GaAs авторы другой работы [47] наблюдали аналогичную картину — был обнаружен переход от двуступенчатого профиля к одноступенчатому при увеличении давления паров мышьяка. Влияния давления паров мышьяка на диффузию хрома в объёме GaAs в работе [39] обнаружено не было. Полученная в работе [38] температурная зависимость коэффициента диффузии хрома в GaAs описывается формулой:
Отметим, что авторы работ [36-38] не указывают конкретные условия получения температурной зависимости D. При этом большая погрешность аппроксимации энергии активации даёт разброс коэффициента диффузии при одной и той же температуре на два порядка. Данные обстоятельства не позволяют использовать результаты статей [36-38] без дополнительной экспериментальной проверки.
Следующие результаты по диффузии хрома в GaAs были опубликованы в статье [42]. Эксперименты проводились на пластинах «-типа (100) с концентрацией электронов 2-10 см" . Толщина образцов составляла 500 мкм, площадь (1-2) см2. Диффузия проводилась в интервале температур (800-1100)С аналогично работе [39], однако, в качестве источника использовался изотоп 51Сг в виде навески. Время диффузии изменяли от 15 минут до 10 часов. Для анализа распределения хрома использовали послойное снятие. Несмотря на то, что в этой работе не было проведено никаких количественных расчётов, здесь было дано качественное объяснение характера диффузии, а также обнаружен ряд процессов, протекающих во время диффузии в закрытой системе.
В первую очередь, следует отметить то, что после диффузионного отжига было обнаружено увеличение веса навески хрома до 100%. Рентгеноструктурный анализ показал, что источник содержит как Сг, так Ga и As. Это указывает на то, что хром не является истинным источником и выравнивание химического потенциала хрома в GaAs происходит относительно раствора из трёх компонентов.
Вторым обнаруженным эффектом оказалось уменьшение поверхностной концентрации хрома при увеличении содержания мышьяка в ампуле. Несмотря на то, что из предыдущих исследований известно, что хром занимает узлы галлия, такой эффект на первый взгляд кажется парадоксальным. Однако, авторы объясняют это возможным изменением состава истинного источника при изменении количества одного из компонентов - мышьяка. Следовательно, при добавлении As изменяется уровень химического потенциала, относительно которого происходит выравнивание хрома в GaAs.
Вид некоторых профилей из работы [42] представлен на рисунках 1.5 и 1.6. Как и в предыдущей работе, здесь наблюдается два качественно отличающихся участка. Видно, что более глубокий участок должен описываться большим, по сравнению с результатами работ [13-34], коэффициентом диффузии. Очевидно, что диффузия вакансий галлия не может обеспечить столь быстрого выравнивания концентрации хрома в объёме [8-11]. С другой стороны, известно, что хром растворяется именно в узлах галлия [52]. Данные факты указывают на то, что атомы хрома перемещаются не только по узлам, но и по междоузлиям. Такой механизм диффузии наблюдался для многих примесей в GaAs (Си, Fe, Mn, Zn и др.) и носит название диссоциативного механизма диффузии [8-11, 53-55].
Так как большая часть профилей, приведённых в работе [42], имеет горизонтальный вид в области свободной диффузии, то не представляется возможности аппроксимировать его er/e-функцией с целью нахождения коэффициента диффузии. Однако, пользуясь данными, представленными на одном рисунке (рис 1.6), мы оценили коэффициент диффузии для 1000 С (Djооо 10"8 см2/с).
Последней работой, в которой диффузия хрома исследовалась прямым методом, является работа [43]. Предварительно её авторы занимались исследованием тройной диаграммы состояния Ga-Cr-As. Результаты опубликованы в статье [44]. В качестве источника диффузии в экспериментах использовались различные тройные равновесные составы, полученные по данным диаграммы, приведённой на рис. 1.7. Диффузию проводили в пластины, ориентированные по (100), из материала, выращенного методом Чохральского и Бриджмена. Использовали высокоомный нелегированный материал и низкоомный, легированный Те и Si (от 10й см"3 до 4-Ю17 см"3) . Диффузию проводили в вакуумированных ампулах. Температурный интервал исследования — (700-1000) С, время диффузии изменяли от 10 минут до 24 часов. Профили хрома измеряли методом вторичной ионной масс-спектроскопии.
Изготовление и исследование приборов на основе диффузионных структур
Количество работ, посвященных диффузии железа в арсениде галлия, значительно меньше, чем для хрома. Как отмечается в [12], свойства переходных элементов в GaAs (в частности — железа) изучались в основном в отечественной литературе. Так как они менее важны в практическом отношении (для GaAs наибольшее удельное сопротивление было получено при компенсации хромом), то большинство работ посвящено не технической стороне получения приборов и высокоомных подложек для эпитаксии, но именно исследованию физических аспектов самого процесса диффузии.
В работе [39] исследовалась диффузия Fe в GaAs, проводившаяся в вакуумированных до 10"5 мм рт. ст. кварцевых ампулах (из которых предварительно откачивали воздух). Диффузия шла из газовой фазы. Диффузантом служила навеска чистого Fe. Для создания избыточного давления паров мышьяка в ампулу помещали навеску элементарного мышьяка. Для эксперимента использовали электронный GaAs, выращенный методами Чохральского и направленной кристаллизации. Глубину диффузии определяли химическим травлением скола или при помощи точечного детектирования на косом шлифе. Диффузию Fe исследовали в диапазоне температур (800 — 1100)С и давлении паров мышьяка от 0.1 до 2 атм. Исходная концентрация носителей в GaAs составляла (3-Ю1 -6-Ю17) см"3.
В результате проведенных исследований было установлено, что в процессе диффузии Fe у поверхности образца создается слой высокоомного GaAs (я--слой). Он образуется в результате компенсации мелких донорных центров, имеющихся в исходном GaAs, глубокими акцепторными центрами, которые создаются в результате диффузии Fe. Граница к — п - перехода находится на месте, где концентрация глубоких акцепторов равна концентрации мелких доноров.
Проведенные эксперименты показали, что глубина диффузии Fe увеличивается с ростом давления паров As. Используя полученные экспериментальные данные, были рассчитаны коэффициенты диффузии Fe в GaAs при различных температурах. Расчеты проводили в предположении -распределения диффундирующей примеси. Величина поверхностной концентрации Fe при расчете эффективного коэффициента диффузии взята одинаковой для всего интервала температур и равной максимальной растворимости Fe в GaAs (10 см" ). Получены значения эффективного коэффициента диффузии Fe в GaAs, при 900С имеет место аномалия, связанная, по-видимому, с плохой воспроизводимостью результатов. Для интервала давлений 0,1-1,5 атмосферы зависимость коэффициента диффузии аппроксимирована авторами экспоненциальной зависимостью [39]: Более поздние исследования [47, 54] показали, что в GaAs диффузия железа носит сложный характер, а допущение о постоянстве растворимости железа в GaAs при изменении температуры является слишком грубым приближением. В работе [47] исследовано влияние давления паров As на диффузию и растворимость Fe в GaAs /?-типа. Построены профили распределения железа в арсениде галлия при помощи прямого метода. Исследования проводили на пластинках монокристаллического GaAs размером 5x5x1 мм , легированных теллуром (п = 3-10 см , плотность дислокаций = 2-Ю4 см"2 ). Диффузия Fe, меченного радиоактивным изотопом Fe-59, происходила из газовой фазы в интервале температур 750-1150С. Продолжительность отжига изменялась от 23 до 77 часов. В ампулу, откачанную до 10 4 мм рт. ст., вместе с полированными образцами GaAs и источником Fe-59 помещали навеску чистого мышьяка. Давление паров As регулировалось как величиной навески, так и температурой зоны, в которой располагался мышьяк. После диффузии ампулу помещали в холодную воду, чтобы предотвратить конденсацию паров As и Fe на поверхности GaAs. На диффузионно-легированных образцах методом термо э.д.с. определяли тип проводимости и по ямкам травления рассчитывали плотность дислокаций. Кроме распределения железа в диффузионном слое измеряли глубину /?-и-перехода методом косого шлифа. На рисунке 1.10 приведены концентрационные профили Fe, полученные при 1050С для различных давлений паров. С увеличением давления паров As при постоянной температуре на кривой распределения Fe появляется точка перегиба, которая разбивает диффузионный профиль на два участка - приповерхностный и объемный. При PAs 4 атм распределение выражается функцией [47]: где Л = х12л[Ш, а0 - параметр, характеризующий влияние внутреннего электрического поля.
Авторы обнаружили, что при увеличении температуры диффузии при постоянном давлении наблюдается аналогичная картина. Распределение концентрации Fe-59 в диффузионном слое GaAs имеет, как правило, сложный характер и только при низких температурах и высоких давлениях может быть выражено монотонной функцией. Анализ концентрационных кривых показывает, что глубина первого участка слабо зависит от температуры и времени диффузии.
Измерения глубины залегания /?-гс-перехода показали, что радиоактивный метод дает значительно меньшую глубину проникновения Fe, чем метод р-п-перехода. Различие в результатах измерений, по-видимому, связано с тем, что разными методами фиксируется железо, находящееся в различных состояниях. Авторы полагают, что методом /?-гс-перехода была определена междоузельная составляющая, и выдвигают предположение о междоузельном механизме
Диффузия железа в GaAs в запаянных ампулах
В ряде работ изучено влияние положения уровня Ферми в GaAs на коэффициент диффузии. В работе [51] проведено исследование диффузии железа в собственном и сильнолегированном GaAs п+- и +-типа проводимости.
Диффузия железа в GaAs проводилась из напыленного слоя толщиной 0.2 мкм при 1100С и РА$4= 1 атм. Образцы представляли собой пластины GaAs, в которых диффузией серы, олова или цинка были созданы сильнолегированные слои п+- и р+-типа проводимости, п+- и р+-слои имели следующие значения средней концентрации носителей и плотности дислокаций: п+ = 3-Ю18 см"3 и Ndis= 106см27р+ = 5-1019см3 nNdis=5-104 см2,р+ = 2.5-1020 см"3 nNdis=107CM2. Диффузия железа проводилась одновременно в серию образцов с различной толщиной сильнолегированного слоя в течение времени, достаточного для того, чтобы диффузия железа прошла через всю толщину п+- (или р+-) слоя и на некоторую глубину в подложке. В процессе диффузии железа в подложке происходило образование высокоомного слоя. Толщину этого слоя определяли с помощью микроскопа после анодирования поперечного скола и по данным измерения распределения напряжения пробоя точечного контакта металл-полупроводник на косом шлифе.
Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о сильном влиянии смещения электронно-дырочного равновесия на миграцию атомов железа в GaAs и являются еще одним экспериментальным подтверждением диссоциативного механизма диффузии железа в GaAs [51].
Исследование свойств электронно-дырочных переходов на основе GaAs, легированного хромом либо железом в процессе диффузии, проводилось ранее в основном на приборных структурах лавинных S-диодов. Эти обстоятельства изначально задавали саму методологию исследования структур. Среди исследуемых характеристик были: прямые вольт-амперные характеристики (ВАХ) [56-58, 60-63, 65-67]; обратные ВАХ до и после переключения [56, 57,60-63, 65-67]; емкостные характеристики [69]; спектральная зависимость фотопроводимости [56,58,60,64,66,73]; зависимости тока и напряжения переключения от температуры, мощности монохроматического излучения, гидростатического давления [56,58,60,64,66,68]; зависимости времени задержки переключения, времени восстановления обратного сопротивления и собственного времени переключения от параметров запуска лавинного S-диода [64, 70-73]; частотные зависимости напряжения переключения и др.
Перечисленные выше зависимости касаются влияния различных физических воздействий на характеристики прибора. Но также, в отдельный раздел исследований можно выделить изучение влияния свойств самих компенсированных структур и геометрических параметров готовых приборов на характеристики лавинных S-диодов. Четвертая глава настоящей работы посвящена именно этим исследованиям. Согласно литературным данным, можно выделить три основных параметра, оказывающих влияние на ВАХ прибора [6,7,60,66,73]: исходная концентрация доноров в подложке; толщина высокоомного слоя, образованного диффузией глубокого акцептора; тип структуры (под типом здесь понимается количество и последовательность слоев образованных диффузией, например, n+-7u-v-n или ж-v-ri). При этом, в литературе не освещено влияние площади тг-у-перехода на характеристики лавинных S-диодов. В работе [7] также экспериментально обнаружено, что существует качественная зависимость между концентрацией доноров в «+-слое и+-л:-у-«-структуры и напряжением переключения S-диодов (с увеличением концентрации доноров напряжение переключения уменьшается).
В данном обзоре литературы основное внимание будет уделено изучению влияния параметров структур на электрические характеристики S-диодов, полученных диффузионным способом, а именно, на статические и импульсные ВАХ. В основе всех возможных диффузионных S-диодных структур лежит структура к-v-n — типа (характерные размеры высокоомного TT-V-СЛОЯ от 10 мкм до 50 мкм, характерные концентрации доноров в подложке Nd Ю16 — 1017см"3).
Обратные ВАХ Обратные вольт-амперные характеристики (ВАХ) S-диодов до переключения исследовались в работах [6,56-60,66,68]. Для диодов на основе GaAs, легированного хромом или железом, на обратной ветви ВАХ можно выделить до 4 участков с различной функциональной зависимостью (рис. 1.16). На первом из них (напряжение U кТ/ё) ток зависит от напряжения линейно, второй участок (U 10-50 В) носит степенной характер (/-С/11) с показателем m 0.5. Оба участка описываются теорией Саа-Нойса-Шокли [74]. Ток, согласно этой теории, обеспечивается генерацией собственных носителей заряда в области объемного заряда (ООЗ) обратно-смещенного р-п -перехода и, если генерационно-рекомбинационный уровень лежит посередине запрещенной зоны полупроводника, а лавинное умножение носителей отсутствует, выражается формулой: где е — элементарный заряд, п; - собственная концентрация носителей заряда в полупроводнике, S - площадь электронно-дырочного перехода, т,- - время жизни собственных носителей заряда, W — ширина ООЗ, которая является функцией напряжения (W- lf1, m 0.5). На данном участке температура существенно влияет на величину протекающего тока, а именно, наблюдается экспоненциальный рост тока от обратной температуры с энергией активации Е& /2 (Eg — ширина запрещенной зоны полупроводника), что объясняется экспоненциальным увеличением собственной концентрации носителей заряда с температурой [64].
Исследование ВАХ яг-у-я-структур на основе GaAs, легированного примесью Сг
Структуры для детекторов на основе GaAs, легированного Сг, конструктивно разделяются на два типа: барьерные и резистивные [1, 2]. Барьерные представляют из себя структуру ж-у-п-типа. На ее основе разработаны детекторы заряженных частиц, которые являются, по сути, сложной трехуровневой интегральной схемой, содержащей детектирующие полосковые элементы и пассивные КС-элементы [91]. Толщина высокоомного слоя, полученного легированием GaAs хромом, составляет 150-200 мкм, размер кристалла - 26x23 х 0.3 мм3. На нем располагаются 384 детектирующие полоски шириной 10 мкм и шагом 50 мкм. Детекторы имеют отношение сигнал/шум равное 10, эффективность регистрации 98 %, координатное разрешение 14 мкм и обладают высокой радиационной стойкостью. Они могут быть использованы для радиационного мониторинга, при термоядерных исследованиях и в области физики высоких энергий [1].
Структура резистивного типа получается легированием GaAs хромом так, что удельное сопротивление по всему объему распределено однородно. На основе данной структуры разработаны детекторы единичного счета рентгеновских и гамма-лучей [2]. Структура резистивного типа на основе GaAs:Cr не имеет мировых аналогов, обладает предельно высоким удельным сопротивлением (до 109 Ом см), толщиной чувствительной области более 1 мм, большим временем жизни неосновных носителей заряда [92]. К таким структурам формируются омические контакты, что приводит к однородному распределению напряженности поля по всей толщине. ВАХ резистивных структур линейны и симметричны для обеих полярностей вплоть до значений напряженности электрического поля, соответствующих максимуму дрейфовых скоростей. Плотность протекающего в структуре тока при рабочем напряжении смещения не превышает 10 А/мм . Важным отличием компенсированных хромом структур от традиционных LEC SI-GaAs является однородное распределение напряженности поля и отсутствие токовых осцилляции [2].
Эффективность регистрации рентгеновских фотонов медицинского диапазона энергий выше 90%, что достигается за счет больших толщин и высокого коэффициента поглощения излучения в GaAs по сравнению с кремнием. Структуры предназначены для использования в качестве детекторов излучения с энергией фотонов от 10-20 до 120-140 кэВ [2].
Разработаны детекторы следующих конструкций: линейки единичных детекторов с размером элементов 100, 200 и 400 мкм; односторонние микрополосковые детекторы с RC-связью с шагом 50, 100 и 200 мкм; матричные детекторы с размером элементов 170x170 мкм" [1,2, 92, 93].
На основе разработанных детекторов созданы модули цифрового изображения в рентгеновских и гамма-лучах с высоким пространственным разрешением и значительно меньшими дозовыми нагрузками на пациента по сравнению с функционирующими в настоящее время рентгеновскими аппаратами и гамма-камерами [2].
Подводя итоги, можно сказать, что как диффузия хрома, так и диффузия железа в GaAs исследуются уже более 30 лет. В приведенных работах имеется очень большой разброс экспериментальных данных по коэффициентам диффузии, что, по-видимому, является следствием несоблюдения одинаковых условий экспериментов - авторы не проводят различий между процессами диффузии при изменении давления паров мышьяка, или способа диффузии (через Si02, из напылённого слоя или из навески). Но, несмотря на различия условий и результатов проведённых ранее экспериментов, можно сделать следующие выводы: 1. Характер диффузии хрома и железа в GaAs сложный. Это выражается, в первую очередь, в том, что диффундирующие атомы могут взаимодействовать с вакансиями либо с неконтролируемой (диффундирующей) примесью, создавая различные комплексы, что, в свою очередь, приводит к формированию у поверхности GaAs в процессе диффузии области с повышенной концентрацией хрома. Распределение хрома в этой области не описывается функцией дополнения интеграла ошибок до единицы, так как не относится к области свободной диффузии. При одной и той же температуре размеры этой области зависят от целого ряда параметров, таких как давление паров мышьяка, источник диффузанта и время диффузии, и могут изменяться от единиц до нескольких десятков микрометров. Сведения об электрической активности атомов у поверхности в литературе практически отсутствуют. В частности, лишь в одной работе указывается на то, что приповерхностные комплексы с участием хрома — нейтральные [38]. 2. Механизм свободной диффузии хрома и железа в GaAs (в объёме кристалла), вероятнее всего, диссоциативный, а распределение в объеме кристалла описывается функцией дополнения интеграла ошибок до единицы. Как для хрома, так и для железа были обнаружены зависимости коэффициентов диффузии от давления паров мышьяка, а также от типа проводимости исходного материала (для Fe), что также подтверждает наличие диссоциативного механизма диффузии. 3. В литературе нет данных о температурных зависимостях растворимости и коэффициента диффузии хрома в GaAs, полученных в процессе диффузии в «открытой трубе». 4. Прямая статическая ВАХ диодов на основе яг-у-я-структур, легированных Fe или Сг в процессе диффузии, состоит из двух участков. Первый описывается генерационно-рекомбинационной теорией Саа-Нойса-Шокли. Для диодов, полученных диффузией Fe, в прямой ветви может наблюдаться также туннельная составляющая тока с участием глубокого уровня. На втором участке прямая ВАХ описывается теорией Стафеева для высокого уровня инжекции. На части диодов после второго участка может следовать участок ОДС.
