Введение к работе
Актуальность темы. Изучение природы флуктуационных явлений в полупроводниках и полупроводниковых приборах относится к числу наиболее важных направлений физических исследований. Анализ шумовых характеристик позволяет получать ценные сведения о механизмах протекания физических процессов в объектах. Следует подчеркнуть, что шумовой метод исследования обладает высокой информативностью, поэтому целесообразно его использование при изучении новых материалов и приборов на их основе.
Поликристаллический кремний в настоящее время выдвигается в число наиболее перспективных материалов твердотельной электроники и находит широкое применение в производстве полупроводниковых приборов (интегральных транзисторов, диодов, резисторов, фотоэлементов). Выбор в качестве объекта исследований поликремния представляется обоснованным, так как несмотря на общепризнанную определяющую роль межзеренных границ в формировании свойств этого материала, достаточно полные сведения о характере взаимодействия границ с носителями заряда все же отсутствуют.
Низкочастотный шум, сопровождающий перенос носителей заряда в поликристаллических полупроводниках, связывают, как правило, с существенной дефектностью областей границ зерен. В то яе время отсутствует устоявшаяся картина взаимосвязи механизмов генерации шума и процессов, происходящих в объеме и на границах зерен. Исследование низкочастотного шума l/f-типа представляет собой самостоятельную научную проблему в связи с отсутствием в настоящее время достаточно полной универсальной модели, которая объясняет накопленные экспериментальные результаты исследования шума такого типа.
Целью работы является экспериментальное и теоретическое исследование природы низкочастотного электрического шума и определение параметров границ зерен в поликристаллическом кремнии, полученном различными технологическими способами.
Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Адаптировать методику измерения низкочастотного шума к
поликремниевьш образцам и сконструировать экспериментальную установку.
-
Выяснить природу низкочастотного электрического шума в поликремниевых образцах и определить область его генерирования путем исследования флуктуационных характеристик в широком диапазоне токов и частот.
-
Определить значения параметров границ зерен, характеризующих их влияние на поведение и уровень низкочастотного электрического шума.
Научная новизна работы.
-
Дано объяснение нелинейности токовой зависимости шума единичных активных границ зерен с учетом влияния на процессы захвата-эмиссии носителей на граничные состояния электрического поля обратносмещенной части областей пространственного заряда на границах.
-
Обнаружен минимум в зависимости шума поликремниевых резисторов от уровня легирования, существование которого объясняется изменением роли дефектных областей границ зерен в формировании низкочастотного шума.
-
Для слаболегированных поликремниевых пленок с помощью шумового метода исследований получено распределение эффективной плотности граничных состояний.
-
Предложена интерпретация сверхлинейной токовой зависимости низкочастотного шума тока базы транзисторов, связанная с учетом влияния градиента концентрации примеси на флуктуации подвижности носителей заряда.
-
Обнаружены аномалии вольтфарадной характеристики эмит-терного р-n перехода, обусловленные существованием границы раздела поликремний-монокремний.
-
Предложен и реализован низкочастотный метод измерения сопротивления квазинейтральной эмиттерной области, а также метод оценки шума квазинейтрального эмиттера.
Практическая ценность работы. 1. Предложен и реализован метод измерения сопротивления квазинейтрального эмиттера при тестировании низкочастотным сигналом транзистора, включенного в схеме с разомкнутым коллектором.
-
Разработан и реализован метод оценки избыточного шума квазинейтральной эмиттерной области.
-
Модифицирована методика измерения токового шума образцов с четырехзондовои конфигурацией, что позволило повысить точность измерений.
-
Результаты исследования токовых флуктуации и эффекта токовой подстройки сопротивления поликремниевых резисторов позволили предложить их в качестве регулируемого элемента для монолитных линий задержки.
Разработки защищены двумя авторскими свидетельствами на изобретение.
Достоверность полученных результатов подтверждается соблюдением необходимых требований по метрологическому обеспечению эксперимента и математической обработки результатов измерений, согласованностью между разработанными модельными представлениями и полученными экспериментальными результатами, включая данные других авторов, соответствием предложений и выводов нормам практического материаловедения и приборостроения.
На защиту выносятся:
-
Результаты исследования низкочастотных электрических флуктуации, сопровождающих перенос носителей заряда в образцах с единичными границами зерен, и утверждение о связи низкочастотного шума электрически активных границ зерен с генерацион-но-рекомбинационными флуктуациями заселенности граничных состояний.
-
Результаты исследования токового шума пленочных поликремниевых резисторов и утверждение о том, что его природа в этом случае связана с рассеянием носителей заряда.
-
Утверждение о связи наблюдаемого в поликремниевых резисторах при концентрациях примеси N « 2«1019см~3 минимума шума с изменением вклада дефектных областей границ зерен в формирование флуктуации.
-
Обоснование природы источников флуктуации в транзисторе с поликремниевым контактом к эмиттеру, включенном в схеме с общим эмиттером.
-
Методы определения сопротивления и низкочастотного шума квазинейтрального эмиттера при включении транзистора в схеме с
разомкнутым коллектором.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на V Всесоюзной конференции "Флуктуационные явления в физических системах" (Вильнюс, 1988г.), на III конференции молодых ученых, новаторов производства, организаторов НТТМ (Запорожье, 1988г.), на заседаниях Всесоюзной научно-технической школы "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах" (Москва, 1989г., Черноголовка, 1990г.), на XII Всесоюзной конференцій по физике полупроводников (Киев, 1990г.), на VII Международной конференции "Микроэлектроника-90" (Минск, 1990г.), на VI научной конференции "Fluctuation Phenomena in Physical Systems" (Паланга, 1991г.), на Международной конференции "Microelectronics'92я (Варшава, 1992г.), на научных семинарах кафедр компонентов и материалов электронной техники ЗИИ (Запорожье, 1992г.), физической электроники ХИИ (Херсон, 1992г.), совместном научном семинаре кафедры компонентов и материалов электронной техники ЗИИ и кафедры твердотельной электроники и микроэлектроники ЗГУ (Запорожье, 1992г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 работ.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Работа изложена на 161 страницах, включая 6J[ рисунков и список литературы из 142 наименований.
