Введение к работе
Актуальность темы. В огромном числе самых разнородных объектов и физических систем спектральная плотность флуктуации S зависит от частоты измерения 1 по закону S ~ Г^.где yml. Это явление, известное как шум I/f (фликкер -шум), интенсивно исследуется уже более полувека. Опубликованы сотни оригинальных работ и десятки обзоров (см., например, [1,2]). В каждой монографии о шумах шуму 1/1 обычно посвящается отдельная глава. В течение последних 20 лет проблемы, связанные с шумом I/f, каждые 2 года обсуждаются на Международных конференциях.
Такой интерес к исследованию флуктуационных явлений со спектром 1/1 обусловлен как важными практическими, так и глубокими физическими причинами.
В большинстве полупроводников и полупроводниковых приборов шум со спектром 1/1 преобладает в области частот Ш02+10вГц. Уровень этого шума ограничивает параметры таких важных полупроводниковых приборов, как полевые и биполярные транзисторы, диода Ганна, лавинно-пролетные диоды, лазерные генераторы. Рабочая частота генераторов (в том числе СВЧ и оптических генераторов) флуктуирует, и спектр этих флуктуации имеет, как правило, вид 1/1. Поэтому именно 1/1 шум определяет возможность применения полупроводшжовых приборов в связных и информационных системах, в системах радиолокации и атомных стандартах частоты. Кроме- того, измерение уровня шума 1/1 часто служит удобным методом для неразрушающего контроля надежности и долговечности полупроводншсовых приборов, включая полупроводниковые лазеры, светодиоды, межсоединения больших интегральных схем.
К тому моменту, когда мы начинали работу по данной теме, природа шума I/f не была достоверно установлена ни для одного полупроводникового материала. Наибольшей популярностью пользовалась гипотеза Хоуге, связывающая объошшй шум I/f с флуктуациями подвижности, обусловленными рассеянием на колебаниях решетки (см. библиографию в [3]). При этом неявно предполагалось.
что этот механизм универсален не только для полупроводников, но также и для металлов. Существовали также модели объемного 1/1 шума в полупроводниках, развитые в работах 4-7]. Однако вопрос об адекватности . этих моделей существующим экспериментальным данным и их применимости к реальным полупроводниковым материалам оставался открытым.
Трудность выбора адекватной модели при интерпретации экспериментальных результатов в области шума 1/1 объясняется несколькими обстоятельствами. Прежде всего, в структурно совершенных металлах и полупроводниках средняя амплитуда флуктуации напряжения (или тока) достаточно мала. Поэтому свойства флуктуаторов, ответственных за возникновение 1/1 шума, очень трудно, а часто невозможно наблюдать в каких-либо других экспериментах. Это обстоятельство в значительной степени лишает обсувдаемые модели шума 1/1 "предсказательной силы" и нередко обрекает исслед зателей шума 1/1 на участь "вариться в собственном соку".
Кроме того, как хорошо известно в настоящее время, шум 1/1 в полупроводниках может быть обусловлен как объемными процессами, так* и процессами па поверхности (поверхностный шум I/ї) и в контактах ("контактный" шум). Поверхностный, контактный и объемный шумы могут, * в принципе, иметь совершенно различную природу. Задача разделения этих потенциальных источников шума на практике часто оказывается непростой. При изменении внешних условий, например температуры, преобладающий механизм шума 1/1 может изменяться. Наконец, далеко не очевидно, что во всех полупроводниках механизм шума 1/1 один и тот же.
Другим видом низкочастотного шума, проявляющимся в диапазоне частот ККҐГц, является генерационно- рекомбинационный шум, обусловленный флуктуациями заселенности локальных уровней. Поскольку этот вид шума проявляется в том же диапазоне частот, что и I/ї шум, в большинстве случаев невозможно исследовать природу 1/1 шума, не выделяя при этом генерационно-рекомбинационный шум.
Измерения температурной зависимости генерациоино-рекомбинационного шума позволяют, в принципе, . определить параметры шумящего уровня, что представляет предмет шумовой спектроскопии. Однако, исследования последних лет показывают, что очень часто сечения захвата на уровни, обнаруживаемые в шумовой спектроскопии, очень сильно (экспоненциально) зависят от температуры. К моменту начала работы над темой диссертации эффективной методики определения параметров локальных уровней в такой ситуации разработано не было.
Кроме того, исследование уровней, проявляющихся в генеращганно-рекомбинационном шуме, ваішо такне и с точки зрения понимания природы I/f шума, поскольку, согласно представлениям, развиваемым в настоящей работе, I/f шум как раз и представляет собой суперпозицию генерационно- рекомбинационных процессов. При этом уровни, исследуемые методом шумовой спектроскопии, расположены, как правило, в той же области запрещенной зоны, что и уровни (или сплошной спектр уровней), ответственные за I/f шум.
Цель работы. В настоящей работе была поставлена цель -исследовать низкочастотный шум и, в особенности, шум вида I/f в основных материалах современной полупроводниковой электроники: SI, GaAs, S1G. Представлялось важным не только рззработать методики, позволяющие получить прямой ответ на вопрос о природе 1/1 шума в том или ином полупроводниковом материале, но и попытаться установить связь шума 1/1 с другими физическими явлениями, а также сформулировать такие вопросы, связанные с природой I/f шума, которые допускают прямую экспериментальную проверку.
В работе была поставлена также задача разработать новые методы шумовой спектроскопии, позволяющие определять параметры локальных уровней в условиях, когда сечение захвата носителей экспоненциально зависит от температури.
Научная новизна. Все основные научные результаты, позволившие сформулировать выносимые на защиту научные положения, получены впервые.
—разработан и применен метод исследования низкочастотного шума в условиях сильного геометрического магнитосопротивления.
исследован I/f шум в n-GaAs в условиях разогрева носителей тока сильным электрическим полем.
обнаружено и детально исследовано влияние неосновных носителей, создаваемых зона-зонным светом или путем инжекции через р-п-переход, на шум I/f в SI, GaAs и SIC.
исследован новый тип долговременной ' релаксации фотопроводимости в Si и GaAs, обусловленный той же причиной, что и шум I/f - существованием хвоста плотности состояний вблизи края запрещенной зоны.
показано, что некоторые дефекты, вносимые в объем Si. и GaAs,увеличивают уровень I/f шума, не меняя при этом его природу.
предложен', развит и применен новый подход к анализу данных шумовой спектроскопии.
Научная и практическая ценность работы. В работе разработаны новые экспериментальные методы, позволяющие исследовать природу низкочастотных шумов и," в-частности, природу шума вида I/f в полупроводниках. Применение этих' методов позволило установить природу I/f шума в исследованных образцах Si, GaAs, SIC современного качества.
Разработанные в работе новые методы шумовой спектроскопии позволили решить важную научную проблему - определение параметров локальных уровней в полупроводниках в условиях, когда сечение захвата носителей экспоненциально зависит от температуры.
Понимание природы низкочастотного шума в полупроводниках имеет большое практическое значение, поскольку именно этот вид шума определяет работоспособность и возможность применения полупроводниковых приборов в различных устройствах и, презвде всего, в приборах СВЧ диапазона.
