Перезарядка глубоких уровней в полупроводниках при релаксационной спектроскопии и рекомбинации через ловушки Трегулов, Вадим Викторович

Введение к работе

Актуальность теш

Одной из веяных проблем гайки полупроводников является повышение наде"чооги и отабильноотя работа полупроводниковых приборов и интегральных схем. Эта проблема теоно овяввна о дефектами - глубокими центрами (ГЦ), образующими в запрещенной зоне полупроводника глубокие энергетические уровни (ГУ). Они оказывают существенное влияние на стабильность электрофизических характеристик полупроводниковых приборов. Присутствие ГЦ может в ряда олучвев улучшать характеристики приборов. Они могут, например, существенно снижать время жизни носителей заряда, повышая быстродействие приборов; управлять спектральной завиоимоотью фотопроводимости, что позволяет получить фотодатчики для широкого диапазона длин волн. Вместе о тем, существует ряд менее приятных аспектов, связанных с ГУ. Сюда мокно отнести снижение пробивного напряжения барьерных слоев, увеличение токов утечки, деградацию светоизлучающей способности свето-диодов и полупроводниковых лазеров. Все это в результате ведет к снижению стабильности работы прибора и выходу его из строя.

Мощным средством исследования ГУ являетоя метод релаксационной атактроокопии глубоких уровней (РСГУ), который был предложен в 1964 г. (0. Са, В. Рэдда), а в 1974 г. он был усовершенствован Д. Лвнгом и представлен в виде DLTS (Deep Level Transient Speotroecopy). Достоинствами метода являются: высокая чувствительность по концентрации ГЦ; возможность точного определения энергии активации ГУ,- высокая разрешающая' способность; возможность определения периметров ловушек для основных и неосновных носителей заряда; экспрэсснооть регистрации спектров. Метод является черазрушвгщим и может бить использован для исследования ГУ в резких несимметричных р-п-пирекодах, диодах Шоттки, гетеропереходах, МДП-структурах ни основе рая-

личных полупроводниковых материалов.

Вместе с тем, как было показано П.Т. Орвшкиннм и сотрудниками, многие исследователи трактуют механизм перезарядки ГУ при DLTS на основе рвкомбинвционнои теории Шокли-Рида-Холла. Это приводит к получению неверных значений параметров ГЦ. В частности, при атом концентрация ГЦ может занижаться на два порядка и более по сравнению о иотишшм значением. Вследствие втого было затруднено применение 1)И5 в промышленности для аттестации технологии изготовления полупроводниковых приборов и интегральных схем по ГЦ.

Предложенная П.Т. Орэшкиным теория резонансной релаксации заряда, трактующая механизм перезарядки ГУ на опуотошащих ищульсах как активационно-пролетшй процесс, существенно повышает достоверность определения параметров ГЦ. Применение активационно-пролетной теории позволило использовать Ш5 для анализа сравнительно сложных технологических процеосов изготовления полупроводниковых приборов и интегральных схем с целью выявления источников дефектов.

Кроме того, в работах П.Т. Орэшкина в последнее время было го-казано, что теория Шокли-Рида-Холла содержит ряд противоречий, и выдвинута новая модель рекомбинации о участием глубоких ловушек; В связи о втиы требуетоя провести експериментальную проверку теории П.Т. Орешкина, а тенге теории Шокли-Рида-Холла.

В работе получат дальнейшее развитие представления о - перезарядке глубоких ловушек неосновных носителей в ОПЗ резких несимметричных p-n-переходов (п⁺-р и р⁺-о), что является весьма актуальной задачей.

Цель работы Дальнейшее развитие представлений о процессах перезарядки глубоких ловушек неосновных неравновесных носителей при Ш5 на оонове активацношо-пролетной теорія, а теюке експериментальная проверка

модели П.Т. Орешкина процесса рекомбинации через ловушки и теория Юокли-Ридв-Холла.

Постановка задачи і. На основе полокеннй активацкоішо-пролетной теории систематически исследовать энаргатическиэ спектры ГУ с помощью ШЛ5 в ди-одші структурах с п⁺-р- и р⁺-л-дареходаш на основа 51 и GaAa, изготовленных различными технологическими методами.

1. По полученным ШБ-сгоктрам провести количественную проверку выражений, описывающих перезарядку глубоких ловушек неосновных носителей на основе активвцнояпо-пролетяоЯ теории.

2. Разработать алгоритм и программу автоматизированного определения условий резонанса для использования ее в составе программного обеспечения цифрового ЦИК-спектрометра.

3. Исследовать рекомбинационные характеристики структур, содержащих ловушки неравновесных носителей; время кизни неосновных неравновесных носителей, температурную зависимость времени жизни.

4. Экспериментально проверить справедливость рекомбинационной модели П.Т. Орешкина. Пользуясь результатами експерименте, проанализировать модель рекомбинации по Шакли-Ряду-Холлу.

Научная новизна

1." Впервые на диодных структурах (Si я GaAs) с п⁺~р-пврехода-ми, содержащих глубокие ловушки неосновных носителей (электронов) в активной части р-обласги, подтверждена експериментально справедливость формулы т= 0,6 т_и(Цр/^)вхр((В_с-В^)/КТ), описывающей кинетику перезарядки ловушек неосновных носителей заряда на основе . ак~ тиввционно-пролэтной теории.

2. Впервые на диодных структурах +~р- переходами, содержащих глубокие ловушки неосновних носителей (электронов) в

4 активной части р-облаоти наблюдалась голевая еавиоимость постоянной времени релаксации при их перезарядке, что подтверждает активацион-но- пролетную теории.

3) Впервые експериментально подтверждена справедливость модели П.Т. Орешкина для описания рекомбинации о учаотием глубоких ловушек.

Практическая ценнооть работы

1. Разработан и изготовлен лабораторный макет токового МЛ5-спектрометра о возможностью автоматизированного определения резонансных условий измерения спектра. Использование етой возможности позволит избежать получения ошибочных параметров ГУ, возникающих в случае неверного выбора напряжения опустошения (П_<)<п ).

2. В работе дана експериментально обоснованная рекомендация использовать разработанную методику измерения температурной зависимости времени жизни неосновных неравновеоных носителей в резких не-гамметричных р-«- переходах (п⁺-р и р⁺-п)для вкспреооного определения энергии вктивации глубоких ловушек неосновных нооителей (без использования D1IS).

Реализация результатов работы

3. Внедрена программа автоматизированного определения резонансного режима язшрепия Ш5- спектра на предприятии "СИГМА шлю" (г. Мооква). ¹ "

4. Использованы рекомендации по совершенствованию технологического процесса производства интегральных схем в виде замены жидкостного травления на плавмохимическое не предприятии АОЗТ Центр метрологии и сертификации "СЕРТИМЕТ" (г. Москва).

5. Внесены в рабочую программу куроа "Физика твердого тела" для студентов специальности 200200 основные результаты по теме "Ре-

комбинация через ловушки" и "Релаксационная спектроскопия глубоких уровней (BETS)".

Полохання, выносимые на ващиту

1) Активационно- пролетная модель на опуотошащих импульсах
применима к перезарядке ловушек неосновній носителей, в частности,
выполняютоя формулы для-, времени релакоации и наблюдается полевой
эффект'.

2. Теория рекомбинации через ловушки Иокли-Рида-ЗСолло оодвржит ряд внутренних противоречия. Альтернативная теория П.Т. Орошкина подтверждается экспериментом.

3. Цифровые M.TS- спектрометры нувдаютоя в дополнительной программе, ооущеотвляющей автоматизированное.определение резонансного регкма.

Апробация работы Основные результаты диссертационной работы докладывались и об-оуядалиоь на Меадународной научно-техничеокой конференции "Актуальные проблемы фундаментальных наук" (Мооква, 1991); Всероссийской научно-техничеокой конференции о международным учаотием "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроелектроники" (Таганрог, 1994); ХХХЯ Научно-технической конференции РГРТА (Рязань, 1994). >, Кроне того, результаты диооертвции опубликованы в шести работах.

" Структура и обьем работы , Диссертация соотоит из шести-глав, заключения, списка литературы из .131 наименования и 7 приложений. ,Работа содержит 124 страницы машинописного текста, 14 таблиц, ББ рисунков. ..,.