Введение к работе
Актуальность работы. Исследование гальваномагнитных явлений - одно из основных направлений физики полупроводников. На использовании резистивных и гальваномагнитных явлений основана работа многих полупроводниковых приборов. Их изучение представляет большой интерес как с принципиальной, так и с прикладной точек зрения. Поэтому в настоящее время развитие теории резистивных и гальваномагнитных эффектов в физике полупроводников продолжает оставаться актуальной и важной задачей. Исследование полупроводниковых материалов и соединений, обладающих анизотропией физических свойств, с одной стороны, приводит к созданию новых устройств микроэлектроники, с другой стороны, дает новые методы контроля параметров полупроводниковых структур. В анизотропной среде, в отличие от изотропной, существует ряд резистивных явлений, обусловленных анизотропными свойствами кристаллов, изучение которых важно с экспериментальной точки зрения. Все это обусловливает большую практическую важность исследования свойств таких материалов, а также создания надежных методов их исследования.
В большинстве работ при вычислении кинетических коэффициентов используются упрощенные модельные представления, которые часто не выполняются для экспериментально исследуемых реальных объектов. Важную роль в сложном характере распределения плотности тока через полупроводниковый образец, обладающий анизотропией электрических параметров, играет влияние границ токопроводящих областей. В связи с этим возникает задача о построении электродинамических моделей с учетом конкретных особенностей анизотропных полупроводниковых образцов: размеров и положением контактов, особенностями самого образца, видом и характером воздействия электромагнитного поля.
Как известно, достоверность и воспроизводимость измерений электрофизических характеристик полупроводниковых материалов зависит от качества изготавливаемых к ним контактов. Поэтому контактные явления по-прежнему, несмотря на большое количество работ в этой области, вызывают интерес у исследователей. Проблема качества металлических контактов к полупроводниковым материалам, быстрота их нанесения вызывает к жизни как модификации уже известных, так и все новые способы создания контактов металл-полупроводник.
Таким образом, задача исследования резистивных и гальваномагнитных явлений в анизотропных полупроводниках остается в наше время актуальной, представляющей практический интерес задачей.
Работа выполнялась в рамках НИР кафедры физики Липецкого государственного педагогического университета "Разработка физических методов исследования и контроля свойств полупроводниковых структур современной электроники". Цель работы: исследовать особенности резистивных и гальваномагнитных явлений в ограниченных анизотропных полупроводниках при наличии внешних электрического и магнитного полей. В соответствии с поставленной целью определены основные задачи исследования:
Разработка математического метода расчета электрических полей и токов в ограниченных анизотропных полупроводниковых областях. Представление полученных решений в виде, удобном для анализа и компьютерного моделирования.
Теоретический анализ особенностей явлений электронного переноса в ограниченных анизотропных полупроводниковых образцах, в том числе путем сравнения с аналогичными электродинамическими моделями в изотропных полупроводниках.
Разработать, обосновать и практически представить ряд методов измерения и контроля электрофизических характеристик анизотропных полупроводников. Представить результаты теоретических расчетов в виде, удобном для практического использования с применением ЭВМ для обработки экспериментальных данных.
Разработка методов нанесения и контроля качества контактов металл-полупроводник и экспериментальная проверка выполненных в диссертации теоретических расчетов, а также испытания предложенных методов измерения параметров анизотропных полупроводниковых материалов.
Научная новизна теоретических положений и результатов исследования, полученных автором, заключается в следующем:
Сложный характер распределения потенциала и плотности тока в анизотропных полупроводниковых кристаллах и пленках объяснен на основе понятия вихревых токов анизотропии; разработана математическая модель анизотропно-резистивных и гальваномагнитных явлений в анизотропных полупроводниках.
Предложены и теоретически обоснованы методы определения относительного физического магнитосопротивления полупроводников. Рассмотрены случаи как изотропных материалов, так и образцов, обладающих анизотропией проводимости. В полученных путем единого теоретического подхода аналитических выражениях учтена зависимость сопротивления полупроводниковых образцов от индукции магнитного поля, то есть эффект геометрического магнитосопротивления.
Предложены и разработаны новые методики измерения сопротивления контактов металл-полупроводник и компонент тензора электропроводности исследуемых образцов.
Разработан, теоретически обоснован и экспериментально испытан капельный метод электрохимического осаждения металл-полупроводник. Для экспериментальной проверки теоретических результатов создана лабораторная установка, позволяющая в короткие сроки получать надежные контакты металл-полупроводник.
Достоверность результатов исследования обеспечена четкой формулировкой соответствующих краевых задач для потенциала электрического поля в ограниченных полупроводниках и выбором надежных теоретических методов их решения. Выполненные теоретические расчеты распределений потенциала получили экспериментальное подтверждение как в работах автора диссертации, так и в экспериментальных результатах, полученных другими авторами. Практическая и научная значимость результатов диссертационной работы.
Теоретически полученные аналитические выражения для распределения характеристик электрического поля позволяют решать такие практические задачи, как измерение и контроль электрических характеристик материалов электронной техники, исследований резистивных и гальваномагнитных явлений в полупроводниках. При создании надежных контактов металл-полупроводник в лабораторных условиях требуются быстрые, эффективные методы нанесения, не требующие больших материальных и финансовых затрат. В диссертации разработан и испытан капельный метод электрохимического осаждения, позволяющий решать различные практические задачи. В диссертации предложены и испытаны простые, но эффективные методы измерения сопротивлений контактов металл-полупроводник с одновременным контролем электропроводимости структур после изготовления контактов. На защиту выносятся следующие результаты и положения.
1. В анизотропных полупроводниковых монокристаллах и пленках существуют следующие особенности резистивных и гальваномагнитных явлений: поперечное на-
пряжение анизотропии, концентрация линий тока, вихревые токи анизотропии. Для их исследования применим математический аппарат комплексных рядов Фурье, позволяющий решать краевые задачи для электрического потенциала с граничными условиями в виде наклонной производной.
Исследованные в диссертации особенности анизотропно-резистивных и гальваномагнитных явлений по своей величине являются существенными, поэтому их необходимо учитывать при практических измерениях кинетических коэффициентов электронного переноса в анизотропных полупроводниках, а также при разработке датчиков и приборов на основе анизотропных кристаллов и пленок.
В диссертации усовершенствованы существующие методики измерения кинетических коэффициентов, характеризующие электрофизические свойства анизотропных полупроводников: компонент тензоров электропроводности и коэффициента Холла, физического магнитосопротивления.
Сопротивление растекания точечных контактов металл-анизотропный полупроводник существенно отличается от сопротивления растекания аналогичных контактов к изотропным полупроводникам. Получены теоретические и экспериментальные результаты по разработке методик измерений электрических характеристик полупроводниковых кристаллов малых размеров различной формы и переходных сопротивлений точечных контактов.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на: Третьей Международной конференции по физике кристаллов «Кристаллофизика 21-го века» (Черноголовка, МИСиС, 2006 г.); 5-й Международной научной конференции «Фундаментальные и прикладные исследования в системе образования» (Тамбов, ТГУ, 2007 г.); 14-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика» (Зеленоград, МИЭТ, 2007 г.); Международном семинаре «Компьютерное моделирование электромагнитных процессов в физических, химических и технических системах» (Воронеж, ВГТУ, 2004 г., 2007 г.); Международном семинаре «Физико-математическое моделирование систем» (Воронеж, ВГТУ, 2004 г., 2005г.); Международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века» (Пенза, ПТУ, 2006 г.); Всероссийской научной конференции «Актуальные проблемы естественных наук и их преподавания» (Липецк, ЛГПУ, 2006 г.); Региональной научно-практической конференции «Актуальные проблемы естественных наук и их преподавания. Роль естественных наук в инновационном развитии региона» (Липецк, ЛГПУ, 2006 г., 2007 г.).
Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 26 печатных работ, в том числе 4 статьи в изданиях, соответствующих перечню ВАК РФ, 10 работ в материалах научных конференций различного уровня.
Личный вклад автора. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежит теоретическая разработка и апробация новых методов исследования компонент тензоров электропроводимости, коэффициента Холла и магнитосопротивления, математическое и компьютерное моделирование кинетических явлений в анизотропных образцах.
Структура диссертационной работы. Диссертация включает в себя введение, четыре главы основного текста, заключение и список использованной литературы. Объем диссертации составляет 132 страниц текста, 42 рисунков, 4 таблицы, оглавление, список цитируемой литературы из 159 наименований.
