Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Рекомбинационные центры в p-n-переходах на основе кремния 10
1.1. Возможные типы точечных дефектов в кремнии 10
1.2. Вакансии и межузельные атомы в в кремнии 14
1.3. . Кислород и другие примеси в кремнии 18
1.4. Анализ методов определения параметров центров рекомбинации ... 20
1.5. Выводы по обзору литературы и постановка задачи исследования... 23
ГЛАВА 2 Термостимулированная спектроскопия глубоких центров в рентгеночувствительных приемниках
2.1 Распределения концентрации примесей вблизи р-п-перехода 25
2.2 Результаты емкостных измерений и расчеты профилей концентрации. 28
2.3 Термостимулированная генерация с глубоких уровней ОПЗ в р-п-переходах
2.4 Вычисление параметров глубоких уровней с учетом температурных зависимостей коэффициентов захвата электронов
2.5 . Выводы 42
ГЛАВА 3 Распад дивакансии в области пространственного заряда кремниевого р-п-перехода
3.1. Изменение состава глубоких центров в области пространственного заряда при термостимулированном нагреве 44
3.2. Возможные модели термостимулированного распада комплексов в области пространственного заряда
3.3. Кинетические коэффициенты комплексообразования 54
3.4. Определение энергетических параметров, кинетических коэффициентов и модели изменения состава дефектов в области пространственного заряда при термостимулированном нагреве 57
3.5. Выводы 60
ГЛАВА 4 Рекомбинационные процессы в области пространственного заряда ренттеночувствительных приемников
4.1. Механизмы, формирующие прямую ветвь вольтамперной характеристики
4.2. Рекомбинационная спектроскопия центров в области пространственного заряда 65
4.2.1. Определение параметров центров рекомбинации по дифференциальному показателю наклона ВАХ
4.2.2. Приведенная скорость рекомбинации и, основанные на этом, методы определения параметров центров рекомбинации 72
4.2.3. Метод, основанный на разделении производной приведенной скорости рекомбинации dRnp (U)fdU на составляющие 77
4.3. Температурные зависимости коэффициентов захвата центров рекомбинации
4.4. Рекомбинация с участием многозарядных центров 84
4.5. Выводы 92
ГЛАВА 5 Механизмы, определяющие коэффициент полезного действия приемников рентгеновского излучения
5.1. Коэффициент полезного действия приемника рентгеновского
95
излучения
5.2. Механизмы, формирующие обратную ветвь вольтамперной характеристики 96
5.3. Влияние электрического поля на эмиссию электронов и дырок с рекомбинационных уровней 104
5.4. Влияние электрон-фононного взаимодействия на процессы генерации с участие рекомбинационных центров в сильном электрическом поле 110
5.5. Анализ путей снижения концентрации центров рекомбинации 115
5.6. Выводы 122
Заключение 123
Литература 126
- Анализ методов определения параметров центров рекомбинации
- Вычисление параметров глубоких уровней с учетом температурных зависимостей коэффициентов захвата электронов
- Определение энергетических параметров, кинетических коэффициентов и модели изменения состава дефектов в области пространственного заряда при термостимулированном нагреве
- Приведенная скорость рекомбинации и, основанные на этом, методы определения параметров центров рекомбинации
Введение к работе
Кремний является самым распространенным материалом для изготовления различных полупроводниковых приборов. Не составляют исключения и приемники рентгеновского излучения, которые представляют собой высококачественный фотоприемник с нанесенным на лицевую поверхность люминофором, преобразующим рентгеновское излучение в видимое. Качество и эффективность такого приемника складывается из эффективности преобразования одного вида излучения в другое и эффективности приемника оптического излучения. Преобразование рентгеновского излучения исследовано достаточно хорошо и в данной работе не затрагивается. Качество второй ступени преобразования во многом определяется величиной обратного темнового тока. При малых уровнях освещенности к.п.д. прибора обратно пропорционален этой величине. Несмотря на многолетние исследования в этой области, существует еще достаточное количество белых пятен, которые изучены не в полной мере и сдерживают понимание путей совершенствования технологии приборов. Многочисленные предшествующие работы доказали, что обратные вольтамперные характеристики во многом связаны со свойствами рекомбинационных токов в области пространственного заряда. Однако природа центров рекомбинации в большинстве случаев остается дискуссионной. Недостаточно исследовано поведение сложных кислородных комплексов. В то же время кислород является примесью, которая входит в состав кремния в максимальных количествах. Кроме того, он способен создавать целую серию комплексов с вакансией и другими дефектами, образуя центры рекомбинации, которые определяют механизмы переноса носителей заряда в /7-и-переходе. Свойства этих центров известны пока не в достаточной степени. Практически нет сведений о параметрах электрон-фононного взаимодействия, сопровождающего электронные переходы с этих центров. Электрон-фононное взаимодействие усиливает влияние электрических полей и ускоряет процессы термической эмиссии электронов и дырок с центров рекомбинации. В случае квазимолекулярных центров, какие создает кислород в кремнии, без привлечения моделей электронно-колебательных переходов добиться
совпадения между экспериментальными и теоретическими результатами невозможно. Несмотря на то, что ведущая роль электрон-фононного взаимодействия на процессы генерации с участием рекомбинационных центров в полупроводниках, была доказана в середине 70-х годов, с тех пор развиваются в основном теоретические модели, да и то ограниченные однокоординатным приближением. В экспериментальных работах определение параметров электрон-фононного взаимодействия практически не встречается. Это, в частности, вызвано ограниченностью возможностей емкостных методов измерений. В подавляющем количестве экспериментальных работ определяют энергию активации глубоких уровней методом нестационарной емкостной спектроскопии. Очень редко приводятся значения коэффициентов захвата носителей и фактически никогда их температурные зависимости. Последние как раз и позволяют найти параметры электрон-фононного взаимодействия. Эти экспериментальные результаты можно получить, анализируя вольтамперные характеристики приборов при прямом смещении. Хотя такие методы есть, но они широким кругом исследователей не используются. В данной работе указанные выше пробелы изучаются и делаются важные выводы для теории и практики полупроводниковых приемников излучения. Тема диссертации актуальна.
Целью работы является анализ механизмов переноса носителей заряда в кремниевых приёмниках рентгеновского излучения и их влияния на коэффициент полезного действия преобразования волновой энергии в электрическую.
Для достижения данной цели решаются следующие задачи:
Анализируются процессы термогенерации носителей заряда с рекомбинационных центров с учетом температурных зависимостей коэффициентов захвата, моделируется возможное влияние этих процессов на результаты измерения термостимулированнои емкости и определяются энергии активации основных рекомбинационных центров в кремниевых приемниках излучения.
Выясняется природа необратимых процессов при разогреве р-и-перехода, находящегося при напряжении обратного смещения, и выявляются центры в них участвующие.
Устанавливаются механизмы, формирующие прямые вольтамперные характеристики /?-и-перехода и методами рекомбинационной спектроскопии
определяются параметры ряда центров рекомбинации, включая температурные зависимости коэффициентов захвата. Показывается, что некоторые рекомбинационные центры являются многозарядными.
Устанавливается связь между коэффициентом полезного действия преобразования и величиной обратного тока. Выясняются механизмы, определяющие величину обратного тока, обсуждается природа центров рекомбинации и теоретически рассматриваются условия проведения технологических процессов, которые должны увеличить эффективность приемников излучения.
В работе получены следующие новые научные результаты:
Разработаны модели термостимулированной генерации, учитывающие температурную зависимость коэффициента захвата. Определены условия, при которых систематическая погрешность определения параметров рекомбинационных центров (РЦ) будет минимальна.
Показано, что обнаруженные экспериментально РЦ, так или иначе связаны с присутствием кислорода.
Установлено, что электрическое поле области пространственного заряда (ОПЗ) способствует распаду дивакансии с последующим образованием А - центров. Получены аналитические выражения, описывающие кинетику изотермического и термостимулированного распада. Определена парциальная свободная энергия распада дивакансии в электрическом поле.
Определены условия, получены аналитические зависимости и новые алгоритмы применения метода рекомбинационной спектроскопии для определения параметров РЦ. Найдены такие важные параметры, как температурные зависимости коэффициентов захвата. Экспериментально и методом математического моделирования показано, что некоторые РЦ являются многозарядными.
Получено выражение для коэффициента полезного действия преобразования волновой энергии в электрическую и показано, что эта величина обратно пропорциональна скорости генерации через РЦ с термическими энергиями активации 0.45 и 0.53 эВ, которые, по-видимому, связаны с многочастичными комплексами вакансии кремния и атомов кислорода.
Экспериментально и аналитически доказано, что генерация, с участием указанных выше РЦ, в силу сильного электрон-фононного взаимодействия, ускоряется в электрическом поле ОПЗ, что связано с эффектом Френкеля -понижением высоты барьера, окружающего ловушку, в электрическом поле.
Практическую значимость имеют следующие результаты работы:
Обоснованы, разработаны и реализованы на практике новые алгоритмы определения параметров центров рекомбинации, в том числе температурные зависимости коэффициентов захвата дырок и электронов на центры захвата и параметры электрон-фононного взаимодействия.
Определены параметры ряда центров рекомбинации в кремниевых приемниках излучения и показана их роль в механизмах, определяющих вольтамперные характеристики р-л-переходов.
Теоретически обоснованы способы снижения концентрации рекомбинационных центров, связанных с присутствием кислорода в кремнии, которые согласованы с технологий изготовления приборов.
На защиту выносятся положения:
Температурные зависимости коэффициентов захвата в области термостимулированной эмиссии электронов не вносят существенных систематических ошибок в найденные энергии термической активации центров рекомбинации.
Дивакансия распадается в электрическом поле области пространственного заряда вблизи 300 К. Образовавшиеся при этом свободные одиночные вакансии захватываются атомами кислорода, образуя А-центры.
Комплексный метод, сочетающий измерение термостимулированной емкости и токовую рекомбинационную спектроскопию, позволяет вычислить с необходимой точностью температурные зависимости коэффициентов захвата на рекомбинационные центры.
Коэффициент полезного действия преобразования волновой энергии в электрическую зависит от концентрации рекомбинационных центров, имеющих
энергию термической активации 0.45 и 0.53 эВ. Данные центры, по-видимому, связанны с многочастичными комплексами вакансии кремния с атомами кислорода.
Электрон-фононное взаимодействие играет определяющую роль в величине эффекта Френкеля, приводящего к ускорению эмиссии электронов с центров рекомбинации.
Апробация работы: Результаты работы докладывались на научно -техническом семинаре НПК «Технологический центр» МИЭТ, международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» , 2005 (Владимир). По результатам работы опубликовано 6 научных работ, включая оригинальные работы в ведущих научных журналах России и труды международных конференций.
Структура работы: Работа изложена на 135 стр., включает 9 таблиц и 36 рисунков, библиографический список включает 135 работ.
Анализ методов определения параметров центров рекомбинации
Вакансия - это простейший тип структурных дефектов. Различают вакансии по Шоттки, которые представляют собой пустые узлы решетки, образовавшиеся в результате перехода одного из приповерхностных атомов на саму поверхность, и последующей диффузии вакансии вглубь кристалла, а также дефекты по Френкелю, образующиеся смещением атомов решетки. Таким образом, дефект по Френкелю состоит из вакансии и междоузельного атома, находящегося в непосредственной близости [15].
Проблема образования вакансий в кремнии при высоких температурах интенсивно обсуждается [29-32]. По-видимому, достигнуто согласие, что и вакансии, и междоузельные атомы кремния сосуществуют при высоких температурах, но нет согласия относительно численных значений энтальпий и энтропии образования. Данная проблема является принципиальной для таких современных направлений физики полупроводников, как defect engineering, базирующихся на моделировании управления процессами дефектообразования.
Определению энтальпии образования вакансии посвящено достаточно много работ [33-41]. Расчетные значения энергии образования и миграции вакансии в кремнии, полученные различными авторами приведены в таблице 1.1.
Энергию образования вакансии в кремнии находили как с помощью полуэмпирических расчетов [39-41], так и из различных экспериментов. Одна из самых ранних эмпирических оценок энтальпии образования вакансии Watkins и Corbett [42] дала значение 3.6 эВ, что согласуется с теоретическими значениями, полученными в работах [41,43]. Низкотемпературный режим исследовался в работах [44,45]. В работе [44] дана оценка само диффузии вакансии при Т = \200К (самая низкая температура, при которой были получены значения) 4.15 эВ. Этот результат наиболее часто используют для оценки энергии самодиффузии вакансии. Для оценки энтальпии образования вакансии в кремнии вычитали значение энтальпии миграции 0.33 эВ, полученное Watkins при криогенных температурах [45]. Эксперименты по закаливанию [41,46,47] дали энтальпию образования в высокотемпературном режиме: 2.5 эВ. Для определения энтальпии миграции вакансии в кремнии при высоких температурах, применяют метод высокотемпературной диффузии. Этот метод в работе [48] дает значение 1.46 эВ, в то время как энтальпия миграции при низких температурах [42] 0.3 эВ. Теоретические вычисления, проведенные в работе [43] показали, что миграция вакансии происходит с энтальпией миграции 0.5 эВ, а энтропия образования вакансии 3.8 эВ. Van Vechten в работе [41] показал, что энтальпия образования моновакансии 2.4 эВ. В ряде работ обсуждается схожесть термодинамических параметров вакансии с термодинамическими параметрами некоторых протяженных междоузельных дефектов, например Fe,. Подобные обстоятельства еще более усложняют исследование этих объектов.
Вакансии имеют склонность к образованию вакансионных кластеров [29-32]. Самый простой из них - дивакансия, которая является объединением вакансий, о разделенных расстоянием 7.67 А и имеет энергию связи 0.15 эВ [29]. Могут образовываться и более сложные образования. Наблюдаемый разброс полученных результатов может быть связан как с недостатком адекватных экспериментальных результатов, так и с несовершенством моделей, используемых для расчета. Возможно, что наблюдаемый в литературе разброс данных связан с тем, что при расчетах не учитывается положение уровня Ферми и зарядовые состояния вакансии. Вакансии и дивакансии образуют рекомбинационные уровни в запрещенной зоне кремния. Вакансия в кремнии существует в пяти зарядовых состояниях (V, V, V0, V , V2+). Энергии этих состояний, отсчитываемые от дна валентной зоны [15, 24, 49]: Электронная структура вакансии описывается на основе представления о дефектной молекуле. Молекулярные орбитали представляются как линейные комбинации атомных орбиталей. Неискаженной вакансии с симметрией Td соответствует орбиталь а і (сингл ет) и t2 (триплет). Заполнение орбитали а] происходит в момент разрыва связи. Это состояние характеризуется наименьшей энергией дефектного центра, включающего 4 окружающих вакансию атома. Например, для V три электрона распределяются между этими орбиталями, два из них заполняют ai-орбиталь, а третий - -орбиталь. Захват электронов приводит к перераспределению связей и расщеплению t?-орбитали, что вызывает искажение исходной дефектной молекулы вследствие эффекта Яна-Теллера (понижение полной энергии дефекта при изменении конфигурации) и снижение симметрии Td - D2d - C2v соответственно для V2+ - УҐ, V - V. Уровни t2 и а/ находятся в запрещенной зоне. Состояния V2+, V , V0 образуют отрицательную (/-систему Андерсона [49]. Особенностью дефектов с отрицательной корреляционной энергией является инверсное положение уровней. Если примесь или дефект образует более чем один уровень в запрещенной зоне, то захват второго электрона этим центром приводит к сдвигу его энергетического положения к зоне проводимости из-за кулоновского отталкивания между электронами /(+)-системы. Поэтому акцепторный уровень располагается выше донорного. Дивакансия в кремнии так же как и вакансия обладает амфотерными свойствами и может проявлять себя и как донор и как акцептор. В настоящее время известно, что дивакансия может находится в 4 зарядовых состояниях. В работе [24,46] приведены следующие данные об уровнях, создаваемых дивакансией: Вакансии и дивакансии в кремнии, благодаря отрицательной корреляционной энергии образуют метастабильные состояния, которые не наблюдаются экспериментального].
Вычисление параметров глубоких уровней с учетом температурных зависимостей коэффициентов захвата электронов
Изучение процесса комплексообразования очень важно, т.к. комплексы во многом определяют деградацию полупроводниковых приборов. Важнейшую роль в кремнии играет кислород. Его концентрация достигает 2 1018 см"3 и не спускается ниже 1016 см"3.[22] . Сам по себе кислород электрически не активен, однако, создает разнообразные комплексы, в том числе и с вакансиями, которые можно выразить формулами SixOy, VxOy [52-56]. В частности, с подобными дефектами связываются многочисленные типы термодоноров. Термодоноры с энергией Ev - 0.5эВ образуются в термообработанном кремнии, легированном золотом [57]. Ловушки с такими же энергетическими характеристиками образуются после отжига кремния при 1200С и последующей закалке[58]. При длительной температурной обработке в области температур 1000 -1200С образуются уровни с энергиями 0.26 и 0.56 эВ от зоны проводимости[59]. Кислородные комплексы и малочастичные преципитаты обладают высокой рекомбинационной активностью[60-63]. В частности, ассоциаты, содержащие от 2 до 8 атомов кислорода, образуют «очувствляющие» центры с уровнями 0.3 и 0.4 эВ, которые обладают малым сечением захвата для дырок и поэтому могут быть рекомендованы для образования в фотоприемниках [64-66]. Кислород способен взаимодействовать с акцепторными примесями, создавая донорные комплексы с энергией 0.41 эВ выше потолка валентной зоны [67,68]. В слоях кремния, полученного методом молекулярно лучевой эпитаксии, наблюдался уровень с энергиями 0.58 эВ [69]. В образцах, подвергнутых деформации, возникают уровни с энергиями 0.54 и 0.57эВ. Имеются уровни, связанные с макродефектами: проникновением абразива либо дислокациями.[70,71]. Есть уровни, связанные с тяжелыми металлами, такими как: золото (0.54 эВ, 0.35), железо и никель (0.40-0.45) [21]. В процессе различных термообработок происходит изменение структуры и состава центров[72]. Поэтому определение их природы становится достаточно сложной задачей. Существование всех этих дефектов в исследуемых образцах весьма вероятно.
Подавляющее большинство методов определения параметров центров рекомбинации связано с изменением их зарядового состояния в области пространственного заряда. В соответствии с этим их можно классифицировать либо по основной физической величине, которая измеряется в ходе проведения эксперимента, либо способу изменения заполнения глубоких центров. Как правило, фиксируется либо электрический ток протекающий в /г-н-переходе, либо его емкость [4].
По способу изменения заполнения рекомбинационных центров можно выделить стационарные и нестационарные методы. При стационарных меняется один из параметров, вызывающих генерацию свободных носителей заряда с участием глубоких центров. Например: изменяем интенсивность либо длину волны возбуждающего света, меняем уровень инжекции, либо иной параметр генерации. При этом данное изменение происходит медленно, так, что на центрах рекомбинации устанавливается равновесная концентрация электронов и дырок [73]. На этом принципе основано исследование фотопроводимости и рекомбинационных процессов в jp-и-переходе. Второй способ основан на исследовании переходных процессов, возникающих при резком изменении величины одного из параметров [74]. Ниже кратко будут проанализированы все эти различные способы исследования дефектов.
Значительный прогресс в определении параметров рекомбинационных центров был достигнут в конце 60-х годов прошлого века, когда началось применение емкостных методов. Вклад в их развитие внесли как зарубежные[75-79], так и отечественные ученые[80-84]. Широкому применению данных методов способствовало разработка нестационарной спектроскопии глубоких уровней. (НСГУ, на английском DLTS) [85]. Этот метод широко использовался для определения параметров глубоких центров в кремнии [86-90]. Параметры некоторых центров приведены в табл. 1.1.
Метод НСГУ имеет большой недостаток. Измерения проходят за короткие промежутки времени, порядка миллисекунд. При этом наблюдаются процессы со скоростями эмиссии порядка 10 . Это высокие скорости эмиссии и с точки зрения электрон-фононного взаимодействия центр находится в высокотемпературном диапазоне. Поэтому так велики сечения захвата. Заполняющий импульс также короткий. При этом центры, обладающие отталкивающим потенциальным барьером, могут не заполняться. Метод может обладать существенными погрешностями при большом числе уровней. Аппаратура сложна и в России не выпускается.
По сравнению с НСГУ метод термостимулированной емкости [84] имеет некоторые преимущества. Время наблюдения составляет до 100 мс. При этом измерения проходят в оптимальном режиме. Кроме того, этот метод, как будет показано в главе 3, позволяет фиксировать необратимые процессы, связанные с преобразованием рекомбинационных центров в области пространственного заряда, что не доступно методу НСГУ. На кремнии этот метод апробировался на центрах, связанных с легированием золотом и показал устойчивые и надежные результаты. Поэтому именно он выбран для дальнейших исследований.
Из стационарных методов для дальнейшего применения выбран метод рекомбинационной спектроскопии, разработанный в 90-х годах [4,73]. Данный метод основан на исследовании вольтамперной характеристики /?-п-перехода в случае, когда она определяется рекомбинацией в области пространственного заряда.
Определение энергетических параметров, кинетических коэффициентов и модели изменения состава дефектов в области пространственного заряда при термостимулированном нагреве
Таким образом, наблюдаемое явление обладает тремя характерными свойствами: необратимостью, неизменностью величины заряда после окончания процесса, изменением типа носителей заряда, покидающих ОПЗ, на восходящей и нисходящей ветви процесса.
Основной чертой следует признать необратимость. Опираясь на свойство необратимости процесса, можно сразу отбросить такие процессы как захват неосновных носителей при инжекции из контакта, туннельный обмен либо участие в процессе многоуровневого центра, обладающего донорным и акцепторным состоянием. В то же время необратимость дает основание предположить, что в области пространственного заряда наблюдается распад центров.
Сопоставляя полученные результаты с результатами предыдущей главы можно Объяснить наблюдаемое явление распадом дивакансии и захватом одиночных вакансий атомами кислорода с образованием упомянутых выше А-центров. Приняв данную гипотезу в качестве рабочей, рассмотрим возможную схему ионизации акцепторных состояний, которые необходимы для уменьшения емкости в ходе нагрева.
Электронная структура вакансии описывается на основе представления о дефектной молекуле. Молекулярные орбитали представляются как линейные комбинации атомных орбиталей. Неискаженной вакансии с симметрией Td соответствует орбиталь а/ (синглет) и t2 (триплет). Заполнение орбитали а, происходит в момент разрыва связи. Это состояние характеризуется наименьшей энергией дефектного центра, включающего 4 окружающих вакансию атома. Например, для V три электрона распределяются между этими орбиталями, два из них заполняют а;-орбиталь, а третий - /2-орбиталь.
Захват электронов приводит к перераспределению связей и расщеплению -орбитали, что вызывает искажение исходной дефектной молекулы вследствие эффекта Яна-Теллера (понижение полной энергии дефекта при изменении конфигурации) и снижение симметрии Td - D2d - C2v соответственно для V2+ - \Ґ, V — V. Уровни t2 и a\ находятся в запрещенной зоне. Состояния Vй, V , V0 образуют отрицательную [/-систему Андерсона [15,104]. Особенностью дефектов с отрицательной корреляционной энергией является инверсное положение уровней. Если примесь или дефект образует более чем один уровень в запрещенной зоне, то захват второго электрона этим центром приводит к сдвигу его энергетического положения к зоне проводимости из-за кулоновского отталкивания между электронами /(+)-системы. Поэтому акцепторный уровень располагается выше донорного. Для отрицательной (/(-)-системы акцепторный уровень расположен ниже донорного. В случае вакансии в кремнии /(-)-система реализуется вследствие того, что энергия ян-теллерского искажения превосходит энергию кулоновского отталкивания между электронами. Состояние V2+ является стабильным в кремнии р-тшіа наряду с состоянием V9. Переход из V2+ в V0 при инверсном расположении уровней сопровождается эмиссией двух дырок одновременно, т.к. дырка в состоянии (0/+) связана слабее, чем в (+/++), т.е. состояние V метастабильно. В связи с этим вакансия в кремнии может существовать в пяти зарядовых состояниях (V2 ,V, V0, \Ґ, Vй). Энергии этих состояний, отсчитываемые от дна валентной зоны равны [15; 72]:
Дивакансия в кремнии, так же как и вакансия, обладает амфотерными свойствами и может проявлять себя и как донор и как акцептор. В настоящее время известно, что дивакансия может находиться в 4 зарядовых состояниях. В работе [72] приведены следующие данные об уровнях, создаваемых дивакансией:
Из (3.1.2) следует, что в кремнии п-типа дивакансия находится в состоянии Еу 2 = Ev + 0,$9 эВ. Выбросив один электрон, дивакансия переходит в состояние Е 2 =Ег+0,71эВ .В этом состоянии дивакансия также не может принять электрон из валентной зоны, так как энергетический уровень расположен в верхней половине запрещенной зоны. По этой причине выброс электрона более вероятен, чем его захват. При ионизации теряется один электрон, и величина кулоновского взаимодействия между вакансиями в дивакансиии уменьшается. Комплекс становится нестабильным. Для его распада одной из вакансий достаточно совершить всего один скачок на одно межатомное расстояние. По-видимому, последнее, упомянутое выше состояние является нестабильным и происходит развал дивакансии с образованием двух изолированных вакансий, которые находятся в двух состояниях: Еу =EV+ 0,42 эВ и Еу =EV+ 0,08 эВ., Так как состояние V+1 нестабильно, то оно при данных температурах практически мгновенно переходит в состояние V"1"2. Эти состояния вакансий имеют энергетические уровни в нижней половине запрещенной зоны и могут принять электрон, оставаясь в дальнейшем в этом состоянии. Делает это состояние = +0,1335, которое близко расположено к валентной зоне. В полупроводнике п-типа и при температуре распада (-300К) это состояние выбрасывает дырки, превращаясь в Vі. Следовательно, наблюдается появление участка падения емкости. Изолированная вакансия в кремнии достаточно подвижна. Так как она заряжена отрицательно, то электрическое поле заставляет ее дрейфовать за пределы ОПЗ. Одновременно она совершает диффузионное движение. Двигаясь, она натыкается на атом кислорода, которого в кремнии много. При этом образуется стабильный А-центр, рост концентрации которых наблюдается после прогрева. Рассмотренная выше схема не противоречит природе исследуемых дефектов и по-видимому адекватно описывает наблюдаемое экспериментально явление. Для того, чтобы ее подтвердить целесообразно рассмотреть кинетические уравнения данных процессов.
Приведенная скорость рекомбинации и, основанные на этом, методы определения параметров центров рекомбинации
Эта величина служит признаком наличия сложных рекомбинационных процессов [4,73]. При рекомбинации через единственный двухзарядный центр дифференциальный показатель наклона изменяется от 1 до 2 , причем область изменения в достаточной степени локализована. Если в процессе рекомбинации участвует несколько двухзарядных центров, то на производной дифференциального показателя наклона можно различить пики, число которых соответствует числу уровней, участвующих в процессе рекомбинации. Заметим что, многозарядный центр также может создавать несколько энергетических уровней [4,73]. При определенных соотношениях между коэффициентами захвата в различные зарядовые состояния принадлежность уровня этому центру или нескольким независимым двухзарядным состояниям установить трудно. По виду одной только ВАХ и вовсе невозможно.
Отличить многозарядный центр от суперпозиции двухзарядных можно с помощью емкостных измерений. Признаком многозарядности является одинаковая концентрация центров, создающих разные уровни, и их синхронное изменение при изменении условий изготовления образца. В то же время, в [4,73] показано, что несомненным признаком многозарядности центра является наличие значений дифференциального показателя наклона 2 в ограниченной области напряжений. Причем максимум появляется на зависимости параметра от напряжения, а его производная может иметь отрицательное значение, что в других случаях не наблюдается.
Распределение центров по координате может приводить к различным значениям параметра Р. Величина этого параметра зависит от того, повышается или уменьшается средняя концентрация рекомбинационных центров при изменении напряжения смещении. Наличие флуктуации зонного потенциала при сохранении дискретности энергетического уровня не влияет на вид зависимости {і ndfl/dU от напряжения. Но с увеличением степени неоднородности образца эффективная энергия термической активации уменьшается на величину а1 /2кТ. Поэтому максимум производной сдвигается в область больших напряжений прямого смещения. Другой вид имеют уровни, распределенные по энергии. Характерные значения параметра дифференциального наклона 1 и 2 могут наблюдаться в начале и конце характеристики. Ход производной напоминает характер распределения уровней по энергиям. Приведенные данные показывают многообразие поведения дифференциального показателя наклона и его производной. Экспериментатор оказывается в сложной ситуации, поэтому для твердого ответа на вопрос о характере распределения, о многозарядности нужны дополнительные, независимые эксперименты.
Эти результаты позволяют сделать следующие выводы: 1. На начальном отрезке В АХ дифференциальный показатель наклона возрастает, стремясь, но, не достигая, значение /?=2 (для образцов 2,3). Область напряжений, в которой растет /?, достаточно протяженная и на ней наблюдаются некоторые характерные особенности. Это позволяет сделать вывод, что для данных образцов основным механизмом формирования прямого тока является рекомбинация в области пространственного заряда. 2. Для образца 1 в области напряжений превышающих 0.38 В /? превышает значение /?=2. В соответствии с изложенным выше, такое поведение данной величины указывает на рекомбинацию с участием многозарядных центров. Вывод первый позволяет применить для определения параметров рекомбинационных центров метод рекомбинационной спектроскопии, основанный на преобразовании ВАХ по определенным алгоритмам. ВАХ образцов типа 1 нуждаются в отдельном анализе. Рекомбинация в области пространственного заряда (ОПЗ) является одним из важнейших процессов в полупроводниковых приборах [4,73]. В каждом из приборов она существует в том либо в ином виде. Однако в различных полупроводниковых приборах протекает с разной интенсивностью. Например, в ОПЗ контакта металл-полупроводник рекомбинация, из-за нехватки неосновных носителей заряда играет существенно меньшую роль, чем в р-п переходах. Роль рекомбинационных процессов особенно важна в активных элементах, работающих в аналоговом режиме и, в частности, ренгеночувстительных приемниках излучения. Впервые этот механизм образования тока был рассмотрен Шокли, Нойсом и Са [75]. В последнее время была создана новая теория процессов переноса заряда в областях пространственного заряда, из которой данный механизм вытекает в качестве частного случая [108]. В течение ряда лет выводы работы [3] использовались крайне не эффективно. И только спустя почти сорок лет Грушко Н.С. и Булярским СВ. было показано, что качественный и количественный анализ механизмов рекомбинации позволяет найти приемы их экспрессной диагностики [4,73, 91-94].
В данной работе анализируются предложенные ранее алгоритмы преобразования вольтамперных характеристик (ВАХ) активных структур, и предлагаются новые способы определения параметров глубоких центров. Будет показано, что монотонную ВАХ можно преобразовать в кривую с экстремумами. Напряжения, при которых наблюдаются экстремумы, связаны с параметрами рекомбинационных центров. При этом удается достаточно точно определить энергии активации центров рекомбинации и сделать определенные выводы о коэффициентах захвата. Авторами данной работы разработан ряд алгоритмов ВАХ, которые в целом формируют новое направление в диагностике - рекомбинационную спектроскопию.
Рассмотрим модель /?-л-перехода при прямом смещении и низком уровне инжекции. Основным механизмом переноса носителей через переход в данной модели является рекомбинация через глубокие центры в нем. Скорость рекомбинации определяется числом электронно-дырочных пар, исчезающих в единице объема в результате рекомбинации. Будем считать, что при этом выполняются следующие допущения: - В системе имеет место тепловое равновесие, отсутствует освещение, туннельные переходы и другие факторы. Тепловые процессы полностью определяют скорость рекомбинации. Все центры, образующие энергетический уровень, находятся в эквивалентных состояниях и имеют одну и ту же энергию активации, отсчитанную от дна зоны проводимости.
