Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса по структурам на основе GaN и его твердых растворов
1.1 Проблемы создания и основные параметры гетероструктур на основе GaN и его твердых растворов
1.2 Оптические характеристики СД-структур на основе GaN и его твердых растворов.
1.3 ВАХ СД на основе GaN и его твердых растворов. 27
1.4 Подвижность носителей заряда и механизмы рассеяния в структурах на основе GaN и его твердых растворов .
1.5 Вольт-емкостные характеристики СД на основе GaN с КЯ. 35
1.6 Определение параметров глубоких уровней 36
1.7 Выводы по главе 38
Глава 2. Определение параметров рекомбинационных центров в пространственно неоднородных структурах 40
2.1 Туннельная рекомбинация в структурах на основе AlGaN/biGaN/GaN с ОКЯ и на основе InGaN/SiC
2.1.1. R^ (U) для структур на основе AlGaN/biGaN/GaN с ОКЯ 44
2.1.2 Исследование структур InGaN/SiC с модулированным легированием и ОКЯ 47
2.2 Коэффициент пропускания структуры на основе AlGaN/InGaN/GaN
2.2.1 Определение параметров барьеров, образующих КЯ. 47
2.2.2 Расчет коэффициента пропускания 49
2.3 Рекомбинация в структурах на основе твердого раствора LiGaN/GaN
2.3.1 Определение энергии активации процесса туннелирования из зависимости приведенной скорости рекомбинации от температуры 55
2.4 Выводы по главе 59
Глава 3. Электрические характеристики структур на основе InGaN/GaN 60
3.1 Описания образцов для исследования 60
3.2 В АХ структур на основе твердого раствора InGaN 61
3.2.1 Описание экспериментальной установки для измерения ВАХ. 61
3.2.2 Механизмы токопереноса 62
3.2.3 Подвижность и механизмы рассеяния в структурах на основе InGaN/GaN
3.2.4 Влияние туннелирования на ВАХ 75
3.2.4.1 Туннельный ток в структурах с потенциальными и квантовыми ямами
3.2.4.2 Влияние туннелирования на ВАХ 78
3.3 Вольт-фарадные характеристики структур на основе InGaN/GaN
3.3.1 Описание экспериментальной установки для измерения ВФХ. 81
3.3.2.С-характеристики структур на основе InGaN/GaN 84
3.3.3 Определение параметров я-перехода с компенсированным слоем
3.4 Выводы по главе 96
Глава 4 Электролюминесцентные характеристики структуры на основе InGaN/GaN
4.1 Описание экспериментальной установки для измерения спектровЭЛ 98
4.2 Влияние температуры на спектры ЭЛ структуры на основе InGaN/GaN 100
4.3 Влияние тока на спектры ЭЛ при постоянной температуре (Г=293 К, Г=93 К) 104
4.4 Коэффициент полезного действия светодиодов на основе InGaN/GaN 107
4.5 Выводы по главе 111
Глава 5. Определение параметров глубоких уровней структуры на основе InGaN/GaN методами емкостной спектроскопии
5.1 Термостимулированная емкость (ТСЕ) 113
5.1.1 Установка измерения ТСЕ 113
5.1.2 ТСЕ структуры на основе InGaN/GaN 115
5.2 Спектры DLTS 117
5.2.1. Установка для измерения спектра DLTS 117
5.2.2 Спектры DLTS структуры на основе InGaN/GaN 120
5.3 Выводы по главе 124
Заключение 125
Список литературы 130
- Подвижность носителей заряда и механизмы рассеяния в структурах на основе GaN и его твердых растворов
- Определение энергии активации процесса туннелирования из зависимости приведенной скорости рекомбинации от температуры
- Туннельный ток в структурах с потенциальными и квантовыми ямами
- Влияние тока на спектры ЭЛ при постоянной температуре (Г=293 К, Г=93 К)
Введение к работе
Светоизлучающие диоды (СД) сине-зеленого диапазона на основе biGaN-структур с квантово-размерной активной областью в совокупности с желто-красными и красными СД на AlGalnP- и AlGaAs-гетероструктурах перекрыли по цветовой гамме весь видимый спектральный диапазон, обеспечивая эффективное преобразование электрической энергии в оптическую. Наблюдается активное массовое применение СД: в Москве установлены СД-светофоры, в которых для зеленого света применены элементы на основе нитридов; созданы железнодорожные СД-светофоры с узкой направленностью излучения; на одном из небоскребов Нью-Йорка установлен полноцветный СД-экран, смонтированный из 16 млн. элементов. Проектируются телевизоры с экранами более 70 см по диагонали, в которых каждая из 100 тыс. светящихся точек, формирующих изображение, сделана из СД трех цветов - синего, зеленого и красного.
Компания «Осрам-Оптосемикондакторс» продемонстрировала служебное помещение с плафоном на потолке из 14 тыс. голубых, зеленых, желтых, красных и белых СД. Режим работы устанавливается процессором, что позволяет выбором тока задать освещение того или иного типа от теплого, близкого к свету ламп накаливания, до холодного, как у люминесцентных ламп. Излучение СД в плафоне сфокусировано так, что свет идет вниз, не рассеиваясь к стенам. СД нашли применение и в декоративном освещении архитектурных деталей; освещение моста в Дуйсбурге (Германия) полупроводниковыми светильниками [1].
Таким образом, можно выделить следующие области применения СД, а также лазерных диодов, излучающих в различных областях спектра [2, 3]:
1) увеличение емкости CD и DVD. Плотность записи Ш2 (Я - длина волны излучения), за счет замены красного лазерного диода на фиолетовый с уменьшением Я в 2 раза объем памяти возрастает в 4 раза; 2) создание полноцветных дисплейных экранов. Комбинируя InGaN-, AlGaN- и GaAlAs-СД, можно получить любой участок видимого спектра;
3) в устройствах отображения информации (указателях пешеходных переходов, устройствах ограничения скорости, в стадионных табло, рекламе), уличных светофорах, системах аварийного оповещения и т.д.;
4) в цветных лазерных принтерах высокого разрешения;
5) в системах связи на основе волоконно-оптических линий;
6) в производстве экономичных осветительных устройств;
7) в системах атмосферной оптической связи, охранных системах, системах автоматики, оптопарах, оптореле;
8) синие СД используются для создания СД белого свечения с малым энергопотреблением, которые можно использовать в условиях повышенной взрыво- и пожароопасности. Применение таких источников излучения при видео- и фотосъемке обеспечивает неискаженную цветопередачу.
Преимуществом осветительных СД-приборов на основе GaN и его твердых растворов является малое потребление энергии, малое тепловыделение, вибростойкость, отсутствие специальных патронов, достаточная гамма излучения, высокая долговечность, широкий диапазон рабочих температур (от -40° до +85 °С).
Исследования свойств нитридов элементов группы III (A1N, GaN, InN) и их сплавов, позволили заключить, что они являются наиболее перспективными материалами для изготовления свето- и лазерных диодов, излучающих во всей видимой и ультрафиолетовой (240—620 нм) областях спектра. Эти материалы имеют прямую структуру зон с шириной запрещенной зоны от 6.2 эВ (A1N) до 1.9 эВ (InN) или ниже. Для создания СД-структур с преобладающим излучением в синем и ультрафиолетовом спектральных диапазонах обычно используются GaN и твердые растворы на его основе bixGai_xN, AlxGai_xN. GaN - прямозонный материал, гексагональная модификация которого имеет ширину запрещенной зоны 3.4 эВ при комнатной температуре. Ультрафиолетовое свечение GaN обусловлено рекомбинацией свободных и связанных экситонов гексагональной фазы. Голубое свечение с максимумом при 2.7 эВ обусловлено излучательной рекомбинацией внутри донорно-акцепторных пар, при этом донором является вакансия азота в одном из своих зарядовых состояний. В работе [4] приведены следующие значения внешнего квантового выхода для структур на основе InGaN с КЯ: 18 % для синего и 20 % для зеленого СД.
Связи атомов металлов с N в гексагональной решетке типа AinBv сильнее, чем связи с As или Р в кубической решетке. Поэтому образование дефектов в идеальной решетке нитридов менее вероятно, чем в решетке арсенидов или фосфидов. Приборы из нитридов должны быть более долговечными. Реальное положение дел определяется дефектами в GaN-структурах: срок службы СД на основе GaN оценивается как 10э часов. Приведено сравнение параметров СД из разных материалов по данным работы [2].
Большие значения ширины запрещенной зоны, напряжения пробоя и ряд других особенностей системы AlllN позволяет рассчитывать на создание транзисторов с параметрами, превосходящие достижимые в структурах на основе AmBv Сильные, порядка 106 В/см, встроенные пьезоэлектрические поля в гетероструктурах AlGaN/GaN позволяют при правильно выбранной геометрии структуры увеличить изгиб зоны проводимости на границе AlGaN/GaN и тем самым поднять концентрацию носителей в канале. Изменения электронного потенциала и энергий формирования де 8 фектов, вызванные внутренними полями в структурах GaN/AlGaN(0001) вюртпитной модификации, приводят к высокой плотности двумерного электронного газа, что позволило создать мопщые полевые транзисторы с близкими к GaAs/AlGaAs(001) характеристиками.
Структуры на основе Ш-нитридов обладают важными отличиями от систем на основе арсенидов: первое состоит в малой величине разрыва в зоне проводимости, второе состоит в заметно меньших размерах квантовых точек (-100 А) в нитридных системах по сравнению с арсенидными. Благодаря однодолинному устройству нижней зоны проводимости нит-ридные структуры AlGaN/InGaN/GaN могут создать конкуренцию материалам GaAs/AlGaAs в приборах с поперечным транспортом.
Гетероструктуры с туннельно-связанными квантовыми ямами (КЯ) привлекают внимание как альтернатива традиционным полупроводниковым приборам. На основе таких структур создаются различные приборы: генераторы сверхвысокочастотных колебаний, логические элементы. Принцип действия этих приборов основан на туннельном взаимодействии состояний в КЯ, обладающих разной проводимостью (подвижностью).
Таким образом, нитридные гетероструктуры являются многообещающими для применения не только в оптоэлектронике (СД, инжекцион-ные лазеры, фотоприемники), на их основе созданы мощные высокочастотные полевые транзисторы, работающие при высоких температурах.
Из приведенных отраслей использования Ш-нитридов и их физических особенностей следует, что проведение исследований, направленных на изучение механизмов, ответственных за формирование электрических и электролюминесцентных характеристик СД-структуры на основе InGaN является актуальным.
Цель работы:
Изучение механизмов, определяющих излучательные и безызлуча-тельные рекомбинационные процессы, а также формирующих прямые вольт-амперные характеристики (ВАХ) светодиодов с квантовыми ямами на основе твердого раствора InGaN; разработка физических принципов диагностики параметров исследуемых структур на основе InGaN/GaN.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Исследование механизмов, формирующих туннельно рекомбинационные токи структур на основе твердого раствора InGaN.
2. Разработка методов определения параметров рекомбинационных уровней на основе анализа зависимости приведенной скорости рекомбинации от напряжения R„p = f(u) с учетом туннелирования и выводов обобщенной модели рекомбинации.
3. Экспериментальное исследование электрических и электролюминесцентных характеристик структур InGaN/GaN. Определение параметров изучаемых структур и рекомбинационных уровней в них.
Подвижность носителей заряда и механизмы рассеяния в структурах на основе GaN и его твердых растворов
Получение слоев InGaN приборного качества сопряжено с определенными трудностями. Большое рассогласование параметров ненапряженных кристаллических решеток является причиной напряженности тонких слоев InGaN на относительно толстых GaN и AlGaN. Для получения слоев InGaN с большим содержанием In необходимо либо понижать температуру роста, что приводит к уменьшению подвижности атомов на ростовой поверхности и, следовательно, кг ухудшению структурного качества слоев, либо повышать поток In, что приводит к появлению чистого In в матрице InGaN.
Как и для других широкозонных соединений, легирование GaN примесями акцепторного типа является сложной задачей. К настоящему времени легирующей примесью, дающей стабильный и воспроизводимый р-тип проводимости в GaN, является магний Mg. Введение Mg (как и других примесных элементов) сопровождается рождением значительного количества собственных дефектов и появлением сопутствующих примесей, что оказывает влияние на оптические и электрические свойства GaN.
В [5] исследовано влияние температуры и скорости роста на вхождение ш в эпитаксиальные слои InGaN. При увеличении температуры роста слоя InGaN наблюдалось уменьшение состава In в InGaN и улучшение структурного качества слоя InGaN, при этом пик люминесценции при 77 К сдвигается в коротковолновую область с увеличением интенсивности. Экспериментальные данные показывают сильное влияние на вхождение In в твердый раствор соотношения падающих потоков ш и Ga, а также соотношения потока V группы к суммарному потоку элементов III группы.
В [6J разработана технология двух зародышевых слоев (ЗС), необходимых для перехода от подложки сапфира к эпитаксиальному двумерному росту нитридов третьей группы. Первый ЗС оптимизировался для СД-гетероструктур видимого диапазона и представляет собой низкотемпературный GaN, подвергнутый высокотемпературному отжигу. Второй ЗС предназначен для транзисторных и СД-гетероструктур ультрафиолетового диапазона и представляет собой твердый раствор AlxGai.xN ( =0.2- 0.5). Для получения толстых слоев AlGaN без трещин (толщиной до 2 мкм, Al 10%+50%) предложено использование сверхрешетки AlGaN/AlN.
В [7] изучено влияние прерываний роста и подмешивания малого количества Н2 в несущий Аг на оптические и структурные свойства 1п-GaN/(AI)GaN структур. Показано, что использование специфических условий роста, включая прерывание роста с добавлением водорода, приводит к увеличению эффективности СД в 5 раз.
В [8] изучены свойства слоев GaN, полученных методом металло-рганической газофазной эпитаксии (МОГФЭ) на сапфировых подложках при атмосферном и пониженном давлении в реакторе. Переход к пониженному давлению при сохранении соотношений реагентов в газовой фазе приводит к возрастанию скорости роста GaN более чем на порядок, что связано со снижением паразитных гомогенных газофазных реакций при давлении в реакционной камере менее 350 Торр. Наибольшее влияние на свойства слоев GaN оказывала толщина буферного слоя (A1N или GaN).
В [9] исследованы особенности МОГФЭ AlGaN и AlGaN/GaN. Установлено, что одним из основных параметров, определяющих состав растущего твердого раствора AlGaN, является величина парциального давления триметилалюминия на входе в реактор. Показано, что существенное повышение содержания А1 в эпитаксиальном слое AlGaN может быть достигнуто при снижении скорости эпитаксиального роста.
В [ТО] установлено, что применение специальных методик роста, таких как прерывание роста и заращивание слоем InGaN низкого (по In) состава или использование матрицы InGaN, приводит к активированному фазовому распаду, способствующему образованию глубоких квантовых то 12 чек (КТ) с большой энергией активации и крупных неоднородностей потенциала в активной области. Глубокие КТ ограничивают движение носителей в латеральном направлении к центрам безызлучательной рекомбинации. Образование глубоких КТ и крупных неоднородностей позволяет получить необходимую длину волны при меньшем составе In, что улучшает структурное качество материала.
В [И] исследовалось влияние отжига в плазме азота пленок GaN:Mg на спектры фотолюминесценции (ФЛ), фотопроводимости и тип проводимости. Отжиг в плазме азота пленок GaN:Mg приводит к смещению стехиометрии GaN в сторону избытка азота. Происходит уменьшение количества донорно-акцепторных пар с участием вакансии азота в качестве донора, обусловливающих синюю полосу свечения GaN:Mg с энергией 2.88 эВ.
После отжига в краевой области ультрафиолетовое свечение имеет три максимума — 3.27, 3.17 и 3.06 эВ. Ультрафиолетовая краевая полоса ФЛ с максимумом 3.27 эВ может быть обусловлена переходами электронов из зоны проводимости на акцепторный уровень Mg. Длинноволновые линии краевого свечения с максимумами 3.06 и 3.17 эВ могут быть связаны с акцепторными уровнями, созданными вакансиями галлия.
В [12] представлены результаты сравнительного анализа качества эпитаксиальных слоев GaN, выращенных методами молекулярно-пучковой (МПЭ) и хлорид-гидридной газофазной эпитаксии (ХГФЭ). Экситонные особенности наблюдались в тонких МПЭ слоях, выращенных без буфера, при толщинах, примерно в 25 раз меньших, чем ХГФЭ слои, что говорит о перспективе использования МПЭ для роста высококачественных наноструктур. Установлено, что в МПЭ GaN уровень примесей акцепторного типа больше, чем в ХГФЭ слоях.
Определение энергии активации процесса туннелирования из зависимости приведенной скорости рекомбинации от температуры
В ходе работы исследовались СД Hewlett Packard фиолетового свечения (ho) - 2.91 эВ, Атах=426 нм при комнатной температуре) на основе твердого раствора InGaN. Исследуемая гетероструктура и-GaN/InGaN/j??-GaN выращивалась методом газофазной эпитаксии из металлорганических соединений и состоит из трех пар слоев InGaN/GaN, выращенных при 650С на высокотемпературном GaN толщиной 0.5 мкм. После осаждения буферного слоя GaN:Si «-типа выращивалась активная область, состоящая из нескольких слоев InGaN. Барьеры GaN легировались Si. Активная область структуры заращивалась слоем GaN:Mg. По методике [5] определено процентное содержание In в твердом растворе InGaN - 11%.
Из 10 образцов были выбраны три - №1, №2, №10 - электрические характеристики которых отличались друг от друга (ВАХ и ВФХ при комнатной температуре приведены на рис. 3.1, 3.2).
Как видно из рис. 3.1а, на ВАХ образцов №2, 10 в области напряжений R2.3 В наблюдается характерное плечо, которое может быть связано с влиянием большого количества дефектов и дислокаций в барьерных структурах [34]. Следовательно, можно сделать вывод, что концентрация дефектов и дислокаций в образце №1 меньше, по сравнению с образцами №2,10.
На спектрах ЭЛ исследуемой структуры, снятых в диапазоне температур 93+323 К при постоянном токе через образец, наблюдаются два максимума: /штах=2.91 эВ, который не сдвигается с ростом температуры; шк =3.41 эВ при Г=153 К, который с ростом температуры сдвигается в длинноволновую область. Зависимость КПД от тока TJ = /(I) (см п. 4.3) имеет немонотонный характер с максимумом в диапазоне токов / = 3-г6 мА, принимая при этом значения в диапазоне 0.2+3.57 %.
Основной особенностью неупорядоченных полупроводников является наличие достаточно высокой плотности состояний в запрещенной зоне. Хотя величина этой плотности меньше, чем плотность состояний в соответствующих зонах Ес и Ev, они играют решающую роль в процессах электропроводности. Дефекты в таких полупроводниках расположены неоднородно. Это приводит к тому, что потенциал дна зоны проводимости имеет различные значения в разных точках пространства неупорядоченных полупроводников.
В работе исследуются гетероструктуры на основе твердого раствора InGaN. В таких структурах локализованные состояния формируются из-за флуктуации состава In в InGaN слое из-за фазового разделения в процессе роста, а также могут быть обусловлены присутствием в кристаллах структурных дефектов, таких как вакансии, примеси внедрения и дислокации. В тех местах, где нарушается идеальная периодичность кристаллической структуры, возникают состояния с энергиями, попадающими в интервал значений, запрещенных в идеальном кристалле.
Так как в запрещенной зоне много локализованных состояний, то носители заряда могут двигаться, не попадая в зону проводимости. Такое движение неклассическое и представляет собой туннелирование между двумя соседними локализованными состояниями. Этот вид проводимости называется прыжковым.
Прыжковая проводимость возможна в легированных и компенсированных полупроводниках, а также в неупорядоченных (аморфных и стеклообразных). Существует прыжковая проводимость с постоянной и переменной длиной прыжка. Проводимость с постоянной длиной прыжка осуществляется, когда эффективная длина прыжка не зависит от температуры. Перескок происходит между двумя ближайшими соседними атомами. Возможна проводимость с переменной длиной прыжка, когда прыжки носителей заряда происходят между двумя ближайшими соседями. Характерное расстояние, на которое прыгают электроны, растет при понижении температуры.
Появление прыжковой проводимости приводит к тому, что статическая электропроводность таких полупроводников зависит от температуры по экспоненциальному закону: где Оо - медленно меняющаяся функция температуры Т, Т0 - const, g(ju) -плотность состояний на уровне Ферми, а - радиус близких к уровню Ферми локализованных состояний (для GaN 27.7А), р - численный коэффициент (-23).
Соотношение (3.1) называется формулой Мотта. Этому закону отвечает проводимость с переменной длиной прыжка [74].
Для определения наличия прыжковой проводимости, по измеренным температурным ВАХ, мы построили зависимость 1п/ = /(Г"1/4) (рис. 3.5а). Экспериментальные точки в этих координатах хорошо ложатся на прямую, то есть выполняется закон Мотта. При этом для образца №1 на зависимости 1п/ = /(Гч/4) можно выделить два наклона в диапазоне температур 129 -213 К и 213 -363 К, что может свидетельствовать о наличии двух групп состояний вблизи уровня Ферми с разной энергией активации прыжков и разной плотностью. Далее будет показано (п. 3.3), что на зависимости C2(U) для прямой ветви ВФХ образца №1 проявляются два наклона в диапазоне напряжений (НІ В и К2.5 В, которые могут быть связаны с заполнением двух групп состояний [35]. Можно определить 7о и плотность состояний вблизи уровня Ферми по (3.2). Рассчитанные параметры приведены на рис. 3.56.
Туннельный ток в структурах с потенциальными и квантовыми ямами
Аппроксимировав зависимости прямыми, были найдены тангенсы углов наклона, по которым определили энергию активации, т.к. где Еа - энергия активации тока, а - угол наклона зависимости In/ = /(1/71), к- 8.625 -10 5 эВ/К - постоянная Больцмана.
По температурным зависимостям ВАХ можно определить механизмы формирования тока: диффузионный, генерационно-рекомбинационный и туннельный. В работе [75] приведены критерии определения механизма формирования тока для обратной ветви ВАХ. В работе [76] эти критерии преобразованы для определения механизмов токопереноса по прямой ветви ВАХ. На рис. 3.8 приведены зависимости Еа =f{U) для исследуемых образцов.
Как видно из рис. 3.8 б, энергия активации тока меньше (Eg -qU)/2 для исследуемых образцов при напряжениях / 3 В, следовательно, основной механизм токопереноса - туннелирование. Энергия активации для всех образцов возрастает в диапазоне напряжений 1.5+2.5 В, затем проходит через участок слабого изменения (или насыщения), падает, принимая при этом значения: от 60 мэВ до 124 мэВ в диапазоне температур 129+213 К и от 106 мэВ до 175 мэВ в диапазоне температур 213+363 К (рис. 3.8 а) для образца №1. Как видно из рис. 3.8а, для образца №1 энергия активации при низких температурах (кривая 1) меньше, чем энергия активации при высоких температурах (кривая 2). Это может быть связано с тем, что с понижением температуры растет вероятность прыжков носителей заряда на пространственно более удаленные, но энергетически более близкие центры, что и является причиной того, что при более низких температурах энергия активации прыжка меньше, чем при более высоких температурах. Как видно из рис. 3.56, плотность состояний на уровне Ферми уменьшается в диапазоне напряжений 1.5 - -2.5 В, затем, проходит через участок слабого изменения. Такое поведение gfa) согласуется с характером изменения энергии активации тока при изменении напряжения на образце (см. рис. 3.8а). В процессе токопереноса участвуют носители заряда, расположенные вблизи уровня Ферми, поэтому уменьшение плотности состояний вблизи уровня Ферми g(fi) приводит к увеличению расстояния между соседними локализованными состояниями (см. табл. 3.1, рис. 3.6), а следовательно, и к увеличению длины прыжка. Увеличение длины прыжка приводит в свою очередь к увеличению энергии, необходимой носителю заряда для перехода в следующее локализованное состояние, а следовательно, к увеличению энергии активации процесса токопереноса.
Таким образом, исследуемая структура рассматривается на основе туннельно-рекомбинационной модели прохождения тока, предложенной в [34]. В соответствие с указанной работой существует две области п- и р-GaN, причем w-область легирована сильнее. Происходит туннелирование электронов сквозь потенциальный барьер в л-GaN и термическая активация дырок над потенциальным барьером в / -GaN. Прыжковый механизм токопереноса осуществляется по пограничным состояниям. Общий тун-нельно-рекомбинационный ток будет зависеть от направления и величины электрического поля в области пространственного заряда (ОПЗ) р-п-перехода.
Ступени на температурной зависимости тока при постоянном прямом напряжении обусловлены неоднородным распределением граничных состояний в запрещенной зоне и указывают на наличие двух групп локализованных состояний.
В полупроводниках ВАХ на участке токов, ограниченных пространственным зарядом, можно описать формулой: где // - подвижность, L - ширина ОПЗ, п = т+\ - наклон ВАХ, аппроксимированный линейным участком, N, - концентрация ловушек, Nc(v) - эффективная плотность состояний в зоне проводимости (валентной зоне), єх=єє0 (є - диэлектрическая проницаемость полупроводника, є0 - диэлектрическая постоянная).
Температурные ВАХ (рис. 3.4) состоят из нескольких участков, которые могут быть описаны степенной зависимостью тока от напряжения I Un, где п при комнатной температуре меняется в пределах
В п. 3.3.2 будет показано, что профили легирующей примеси имеют особенности в виде минимумов на возрастающем градиенте. Наличие минимумов на профиле легирующей примеси может свидетельствовать о ее частичной компенсации. Возникающий компенсированный слой приводит к образованию сильного внутреннего электрического поля, которое вызывает разогрев носителей заряда и зависимость подвижности от напряжения смещения.
Влияние тока на спектры ЭЛ при постоянной температуре (Г=293 К, Г=93 К)
Основой генератора является усилитель, охваченный цепью положительной обратной связи по напряжению, в которую включен параллельный LC контур. Исследуемый полупроводниковый прибор включается параллельно LC контуру. Генерируемая генератором частота определяется величинами индуктивности и суммы емкостей Со и полупроводникового прибора. Наличие емкости С0 уменьшает зависимость генерируемой частоты от величины емкости исследуемого прибора. Тем самым ограничивается диапазон перестройки частоты в процессе измерений. Параметры контура подобраны так, что частота при отсутствии Сх составляет 1 МГц. Изменение частоты в процессе измерений при емкости образца 300 пФ составляет не более 2%. Колебательный контур и вся конструкция генератора термо-статированы для уменьшения влияния изменения температуры окружающей среды. В то же время не требуется долговременная стабильность параметров колебательного контура, так как время измерения одной вольт-фарадной характеристики составляет несколько минут, а калибровка прибора производится перед каждым измерением.
Для снижения влияния усилителя на генерируемую частоту его входная цепь выполнена на полевом транзисторе. Усилитель охвачен цепью пороговой АРУ, которая поддерживает ВЧ напряжение на исследуемом приборе в диапазоне 20 - 25 мВ. К выходу усилителя подключен буферный усилитель, предназначенный для усиления сигнала до уровня, необходимого для нормальной работы электронно-счетного частотомера.
Частотомер 43-64, входящий в состав установки, входит в стандарт частоты и времени и обеспечивает 10 значащих цифр на каждое измерение частоты при выборе времени измерения 1.00 с. Калибровка прибора сводится к двум операциям: 1. Измерению нулевой частоты fo, соответствующей свободному входу измерителя, она определяется внутренней емкостью генератора. 2. Измерению частоты генератора fa при подключенном ко входу эталонном конденсаторе, емкость Сэ которого известна. После того, как выполнены операции калибровки, ПЭВМ определяет константы для расчета емкости исследуемого образца. Использование ПЭВМ позволяет выполнять эти расчеты с высокой точностью и скоростью. Важным достоинством установки является то, что операции калибровки можно производить с подключенными к ней внешними устройствами (например, адаптерами для подключения стандартных корпусов) и тем самым полностью компенсировать их влияние, так как их емкости будут учтены автоматически. Все измерительные приборы, входящие в состав установки для исследования вольт-фарадных характеристик связаны с управляющей персональной ЭВМ класса IBM AT. Для обслуживания установки разработано программное обеспечение, которое обеспечивает: -Ввод исходных данных для проведения измерений; -Проведение операций калибровки; -Проведение измерений в автоматическом режиме; -Сохранение данных измерений на жестком диске. Работа установки происходит в следующей последовательности. Оператор запускает управляющую программу, которая запрашивает у него исходные данные для проведения измерений. Вводятся: начальное напряжение, конечное напряжение, шаг напряжения. Перед началом измерений проводятся операции калибровки измерителя. По команде ПЭВМ оператор освобождает вход измерителя емкости. ПЭВМ запускает электронно-счетный частотомер 43-64 и вводит частоту f0. Затем к входу подключается эталонный конденсатор и измеряется fj. ПЭВМ рассчитывает константы измерений. Калибровка производится перед каждым измерением. После ввода исходных данных и проведения операций калибровки установка переходит в автоматический режим проведения измерений. ПЭВМ передает программно управляемому источнику питания величину напряжения на образце, ожидает некоторое время до установления выходного напряжения источника питания, запускает вольтметр В7-46 и получает от него фактическую величину установленного напряжения. Затем запускается электронно-счетный частотомер 43-64, который измеряет частоту и передает ее ПЭВМ. ПЭВМ рассчитывает емкость образца. Полученные данные - напряжение и емкость - сохраняются на жестком диске. Затем ПЭВМ задает новое значение напряжения (прибавляет шаг) и проводит новый цикл измерения. Выход из режима измерения происходит по достижению конечного напряжения. При выходе из режима измерения ПЭВМ обнуляет выходное напряжение программно управляемого источника питания.
