Введение к работе
Актуальность темы. В большинстве случаев для анализа работы полупроводниковых приборов используются самые простые модели генерационно-рекомбинационных процессов. При рекомбинации с участием ловушек применяется модель Шокли-Рида, сечеїшя захвата оценивают с помощью приближения Лэкса, полевые зависимости аппроксимируют на основании теории Френхеля-Пуля. Как правило, отмеченные модели недостаточно точны. Например, отличительной особенностью неупорядоченных полупроводников, наряду с прочими, является появление внутренних электрических полей, флуктуации зонного потенциала, распределение локализованных состояний по энергиям внутри щели подвижности. Результатом данных особенностей становится пространственное разделение электронов и дырок. Для этого случая модель Шокли-Рида не пригодна. В то же время, адекватное описание переноса носителей заряда в неоднородных и неупорядоченных полупроводниках весьма важно с точки зрения практического использования данной группы полупроводников. Поэтому к моменту постановки решаемых в работе задач оставалась актуальной проблема построения обобщенной модели рекомбинации, учитывающей все практически важные случаи протекания процессов.
Вольтамперные характеристики приборов (ВАХ), как правило, используются для диагностики механизмов переноса тока, и практически не используются для определения параметров центров рекомбинации. Расширяется применение полупроводниковых структур с компенсированными слоями, неоднородных и неупорядоченных полупроводников. ВАХ структур данного типа имеют свои важные особенности, которым не уделено достаточного внимания. Это заставляет вернуться к рассмотрению теоретических выражений для этих важных характеристик и поиску простых, но эффективных методов определения энергий активации и коэффициентов захвата центров, участвующих в генерационно-рекомбинационных процессах с учетом специфики разнообразных материалов. Недостаточное внимание уделено определению оптических
параметров центров. Эти проблемы по-прежнему остаются актуалыплми в связи с развитием силовой, высокочастотной и оптоэлектроники.
В настоящее время общепризнанна важная роль многофононных процессов в оптических и безызлучательных переходах с участием глубоких центров и очевидна ограниченность модели Лэкса. Дальнейшее развитие получила теория электронных переходов в электрических полях. Примеиеіше этих, более сложных подходов, сдерживается отсутствием параметров упомянутых моделей и методов их определения. Практически нет исследований, посвященных экспериментальному определению параметров электрон-фононного взаимодействия в полупроводниковых материалах, которые играют важную роль в многофононных процессах и определяют температурные и полевые зависимости кинетических коэффициентов центров рекомбинации.
На основании изложенного можно сделать вывод, что тема диссертации является актуальной и составляет крупную научную проблему, требующую теоретического обобщения и экспериментальной проверки.
Цель работы: Построение обобщенной модели для скорости рекомбинации, пригодной для широкого класса полупроводников, как совершеїшьгх, так и неупорядоченных. Экспериментальная проверка данной модели, а также физическое обоснование алгоритмов определения параметров центров рекомбинации и исследование поведения этих параметров в полях, характерных для полупроводниковых приборов.
Для достижения поставленной целя решаются следующие задачи:
-
Выводится выражение для скорости рекомбинации через глубокие уровни ловушек с учетом пространственного разделения электронов и дырок, а также распределения энергетических уровней рекомбинационных центров по энергиям. Из этой общей модели получаются частные: Шокли-Рида, индуцированной и туннельной рекомбинации.
-
Выводятся выражения, описывающие ВАХ двух и многозарядных центров, а также центров, распределенных по энергиям, с учетом туннельной стадии
рекомбинации. Эти выражишя согласуются с выводами других моделей и экспериментами.
3. Находятся преобразования монотонных ВАХ в кривые с экстремумами, на
основании чего разрабатываются алгоритмы определения параметров центров,
участвующих в рекомбинации, - рекомбинационная спектроскопия.
4. Для проверки полученных теоретических выражений, проводятся
многочисленные эксперименты с использованием структур на основе кремния,
арсенида и фосфида галлия, фосфида индия, карбида кремния, халькогенидных
стеклообразных полупроводников, в ходе которых результаты вычисления по
новым теоретическим алгоритмам сравниваются с результатами апробированных
независимых емкостных и токовых экспериментов.
5. Изучаются особенности рекомбинационных процессов в структурах с
многозарядными центрами, находятся диагностические признаки
многозарядности и предлагаются методы определения параметров таких центров.
б.Анализируются вероятности туннельной рекомбинации компенсированных и неупорядоченных полупроводников, определяются параметры ловушек, участвующих в туннельной рекомбинации, исследуется их роль в процессах переноса тока контактов металл-неупорядоченный полупроводник и гетеропереходов на основе стеклообразных полупроводников. Находятся критерии оценки степени неоднородности полупроводников: дисперсия флуктуации зонного потенциала и параметры распределения локальных состояний по энергиям.
7. Исследуется поведение параметров рекомбинационных центров в электрических полях, характерных для работы полупроводниковых приборов.
Новые научные результаты работы:
1. Получено обобщенное выражение для скорости рекомбинации, описывающее как рекомбинационные процессы в одной области пространства, так и в двух туїшельно-связанньгх областях, включающее в качестве частных случаев модели: Шокли-Рида, туннельной и индуцированной рекомбинации.
-
Выведены выражения для вольтамперных характеристик совершенных и неупорядоченных полупроводников и ряда дифференциальных коэффициентов этих характеристик, описывающих рекомбинацию через двух и многозарядные центры, а также туннельную рекомбинацию. Определены пределы применимости данных выражений.
-
Последовательно проанализировано влияіше многозарядности центров рекомбинации на важнейшие электрические характеристики полупроводниковых структур: емкостные и токовые. Найдены диагностические признаки многозарядности и обоснованы методы определения параметров таких центров.
-
Установлено, что в неупорядоченных полупроводниковых соединениях, в качестве которых исследовались компенсированные полупроводниковые слои GaAs и SiC, а также структуры на стеклообразных халькогенидных полупроводниках, имеет место туннельная рекомбинация, проявляющаяся в типичном виде вольтамперных характеристик, описываемых теорией, развитой в данной работе.
5. Теоретически обоснованы и экспериментально проверены алгоритмы
определения параметров распределения локальных состояний по энергиям
в структурах с компенсированным слоем в области пространственного
заряда.
-
Показана доминирующая роль многофононных процессов захвата на глубокие уровни в полупроводниках, начиная с кремния. Установлено, что модели, учитывающие электрон-фононнос взаимодействие лучше, чем простая модель Френкеля-Пуля, описывают зависимости скоростей термической эмиссии и сечений фотоионизации от напряженности электрических полей в области их изменения, характерной для полупроводниковых приборов.
-
Разработана новая модель описания полевых зависимостей для электронно-колебательных переходов между вырожденными электронными состояниями, опирающаяся на выражение свертки чисто
электронного перехода в электрическом поле и форм-функцию соответствующего оптического перехода. 8. Выполнен широкий круг экспериментов на полупроводниках разных групп и классов, разнообразных полупроводниковых структурах с областью пространственного заряда, которые подтверждают применимость разработанных теоретических моделей.
Научно-практическая значимость работы:
-
Разработаны, теоретически обоснованы, экспериментально проверены и аппаратурно оформлены новые алгоритмы определения параметров рекомбинациоїшьгх центров, опирающиеся на дифференциальные коэффициенты ВАХ, измеренных при прямом смещении р-и-переходов и контактов металл-полупроводник. Тем самым создано новое направление диагностики - рекомбинационная спектроскопия.
-
Разработан метод определения параметров многозарядных центров, основанный на термостимулировашгой емкости и проанализированы систематические ошибки, связанные с пренебрежением свойствами многозарядности центров.
-
Определены параметры многочисленных центров рекомбинации в полупроводниках, нашедших широкое применение в современной микро- и оптоэлектронике.
-
Разработан ряд алгоритмов и способов определения параметров электрон-фононного взаимодействия и форм-функций оптического перехода, которые позволяют рассчитывать полевые и температурные зависимости рекомбинационных и оптических характеристик центров с глубокими уровнями.
-
Созданы фотоприемники M-Znli^ с компенсированной базой, обладающие инжекционным усилением фототока и высокой чувствительностью в коротковолновой области спектра. Обосновано соотношение параметров, обеспечивающих максимальный квантовый выход.
6. Разработаны методы определения дрейфовых и рекомбинационных барьеров в неупорядоченных полупроводниках, величину которых важно знать при разработке прикладных вопросов использования данных полупроводников.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
-
Обобщенное выражение для скорости рекомбинации, полученное в работе, включает как частный случай широко известную модель Шокли-Рида, описывает случай рекомбинации в туннельно-связанных областях и предсказывает новое явление - индуцированную рекомбинацию.
-
Выражения для ВАХ, полученные с использованием обобщенной скорости рекомбинации, описывают многочисленные экспериментальные результаты по рекомбинации в области пространственного заряда структур, изготовленных на полупроводниках различных классов и групп.
-
Существуют преобразования вольтамперных характеристик, измеренных при прямом смещении, которые приводят к кривым с особенностями, позволяющими определять параметры рекомбинационных центров при фиксированной температуре, что допускает их широкое диагностическое использование, в том числе непосредственно на этапах контроля результатов выполнения отдельных технологических операций.
-
Признаками многозарядности, по которым можно диагностировать наличие таких центров, являются появление (в узких областях напряжения прямого смещения) значений дифференциального коэффициента ВАХ, превышающих 2, а также минимумов на кривой приведенной скорости рекомбинации в этой же области напряжений.
5. В структурах сильнолегированных, компенсированных полупроводников
наблюдается туннельная рекомбинация. По величине тока на этом участке
можно найти вероятность туннельного прыжкового переноса и
концентрацию дефектов в компенсированном слое. Исследование
термогенерации в таких полупроводниках позволяет определить плотность
локальных состояний.
6. Из обобщенной модели рекомбинации вытекает модель дисперсионного
транспорта, объясняющая поведение подвижности в халькогенидных
стеклообразных полупроводниках.
7. В структурах с областью пространственного заряда, изготовленных на
основе компенсированных, фоточувствительных слоев, при условиях,
установленных в данной работе, наблюдается явление инжекционного
усиления, которое приводит к значительному росту квантового выхода в
подобных приборах.
8. Полевые зависимости скоростей термической эмиссии и сечений
фотоионизации в GaAs и InP следует описывать с учетом электрон-
фононного взаимодействия. При этом новый способ описания данных
зависимостей, полученный в работе, хорошо согласуется с экспериментом.
Достоверность полученных результатов определяется построением физических моделей для теоретических расчетов с учетом основных явлений, определяющих свойства системы, многократной экспериментальной проверкой результатов расчета с применением различных независимых способов измерения и обработки, использованием для измерений аттестованной аппаратуры и апробированных методик, согласием полученных результатов с известными литературными данными.
Вклад автора в разработку проблемы. Диссертация является обобщением работ, выполненных автором за период с 1973 по 1999 гг. В совместных работах автору принадлежат разработка теоретических моделей, проведение расчетов и анализ результатов. Более половины экспериментов также проведено автором, остальные - его аспирантами, дипломниками и сотрудниками. Автор работы вырастила кристаллы фосфида индия, легированные железом, и изготовила ряд тонкопленочных структур, исследованных в работе.
Значение работы. Разработанная автором обобщеішая модель для скоросп рекомбинации в туннельно-связанных областях, многочисленные приложена и следствия данной модели, апробированные экспериментально на различны типах и классах полупроводников являются существенным вкладом в физию полупроводников. На основании выводов данной модели построены новы алгоритмы определения параметров центров рекомбинации, проверенные н практике, используемые в научно-исследовательских и производственны организациях. Часть фундаментальных результатов, полученных автором используется в учебном процессе. Итогом работы явилось решение крупної научно-технической проблемы физики полупроводников 1 полупроводниковой электроники - исследование механизмов протекани. рекомбинационных процессов в реальных, неупорядоченных и пространствен^ неоднородных полупроводниках.
Апробация диссертации.
Результаты диссертации опубликованы в 79 научных работах, включая : монографии, 39 статей, 34 публикаций в трудах конференций международног и всероссийского уровня. Сделаны доклады на следующих научны конференциях: Всесоюзная конференция «Физические процессы гетеропереходах» (Кишинев, 1974), Всесоюзная конференция «Новы полупроводниковые соединения и их свойства» (Кишинев, 1975), Всесоюзна конференция «Физические основы работы контакта металл-полупроводник (Киев, 1975), Всесоюзная конференция «Тройные полупроводники и и применение» (Кишинев, 1976), VI Межотраслевая конференция молоды ученых (Москва, 1976), 11-ая Всесоюзная конференция «Физические процесс! в полупроводниковых гетероструктурах» (Ашхабад, 1978), 2-ая Всесоюзна конференция «Тройные полупроводники и их применение» (Кишинев, 1979] Международное совещание по электрическим и оптическим явлениям твердом теле (Варна, 1980), Всесоюзная конференция «Физические явления некристаллических полупроводниках» (Кишинев, 1980), 1-ая Всесоюзна конференция «Физика и технология тонких пленок» (Ивано-Франковск, 198Г
3-тья Всесоюзная конференция «Тройные полупроводники и их применение» (Кишинев, 1983), Всесоюзная конференция «Фосфид индия и его применение» (Кишинев, 1985), Координационное совещание социалистических стран «Оптоэлектроника - 89» (Баку, 1989), Всероссийский семинар «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» (Черноголовка, 1990), Всесоюзная школа-семинар «Диагностика, надежность, неразрушающий контроль электронных устройств и систем» (Владивосток, 1990), VI Всесоюзная конференция «Аналитические методы исследования материалов и изделий микроэлектроники» (Кишинев, 1991), Всесоюзная конференция «Физические основы деградации и надежности полупроводниковых приборов» (Кишинев, 1991), Всесоюзная конференция «Актуальные вопросы материаловедения в электронной технике» (Ставрополь, 1995), Международная конференция «Центры с глубокими уровнями в полупроводниках и полупроводниковых структурах» (Ульяновск, 1997), Третья Российская университетско-академическая конференция (Ижевск, 1997), Всероссийская научно-техническая конференция «Микро- и наноэлектроника 98», (Звенигород, 1998), Международная конференция «Оптика полупроводников» (Ульяновск, 1998), Международная конференция «Физические процессы в неупорядоченных полупроводниках» (Ульяновск, 1999).
Структура диссертации и объем диссертации: Диссертация изложена на 301 странице, содержит 168 рисунков, 35 таблиц, 429 ссылок на оригинальную научную литературу.
