Введение к работе
Актуальность темы Спектроскопия глубоких уровней, т.е. получение сведений о концентрации глубоких центров, их энергетической структуре и других параметрах, определяющих электрические и оптические свойства центров является важным направлением в физике полупроводников. Эти сведения необходимы при изучении природы разнообразных явлений, обусловленных присутствием в материале глубоких центров. Они широко используются при решении практических задач полупроводникового материаловедения и приборостроения. Среди методов спектроскопии глубоких уровней лидирующее положение заняли в последнее время релаксационные методики. Релаксация емкости обратно смещенного р — в-перехода лежит в основе емкостной с' интроскопии — мощного комплекса методик изучения глубоких центг лв, который эффективен в случае сравнительно яиэкоомпых материалов. Для сильно компенсированных и перехом-пенсированных материалов нет столь же хорошо разработанного и эффективного инструмента. Создание новых релаксационных методик и развитие существующих для исследований этих материалов представляет актуальную задачу. Высокоомиый материал, получаемый путем компенсации глубокими примесями или облучения интересен как объект для изучения специфических явлений, обусловленных присутствием глубоких центров, и как материал для ряда практических применений.
Целью работы является теоретическое и экспериментальное исследование релаксационных процессов в диодных структурах, главным образом п — и — п-яп — т— р-тича, на основе сильно компенсированных и перекомпенсированньгх полупроводников. Это исследование включает; изучение новых релаксационных явлений, их использование для решения, спектроскопических задач; развитиие традиционных и нетрадиционных спектроскопических методик и их и применение для изучения глубоких центров в практически важных материалах — кремнии, GaA$ и твердый раствор AlxGai-xAs. Основными релаксационными методиками были измерения терместиыулирован-ного тока (ТСТ), термостимулированной емкости (ТСЕ), изотермической релаксации емкости (ИРЕ), нестациолариого импульсного тока, ограниченного объемным зарядом (ТООЗ).
Научная повязиа Предложен л теоретически обоснован новый
м ічлд изучения глубоких центров а перекомленсировшшои полупроводнике из намерений переходного ТООЗ и доработан известный метод импульсного нестационарного ТООЗ. Показано, что комбинация этих методов является эффективным инструментом для измерений времени захвата и скорости эмиссии в высокоомном полупроводнике, содержащем глубокие центры нескольких типов. Эта комбинация применена к кремнию, нерекомненсированному облучением большими дозами нейтронов. Бнервые такой материал, имеющий сложный спектр глубоких уровней и специфическое пространственное их распределение, исследоьан релаксационной методикой. > Вя-с-n-структурах из облученного креыния экспериментально обнаружено аномальное поведение ловушечной емкости в зависимости от частоты и температуры. Теория импеданс:: диэлектрического диода с ловушками, построенная в приближении виртуального катода, не состоятельна при его объяснении. Показано, что результаты количественно согласуются с теорией, учи і ывающей особенности ннжекцнонных свойств п ''-контакта к компенсированному полупроводнику.
Обнаружен долговременный нелинейный электрический переходный процесс в кремнии, связанный с особенностями монополярной инжекции в компенсированный полупроводник. Показало, что дол-говремкнная релаксация в целом хорошо описывается ^eopиeft кои-тактьой нелинейности, ко имеет неизвестные ранее закономерности, обусловленные перезарядкой двух глубоких уровней.
Предложен новый механизм полевого гашения устойчивой фотопроводимости за счет ограниченна тока из контакта объемным зарядом на ловушках. На его основе удается объяснить как результаты, полученные в диссертации для облученного кремния, так и некоторые закономерности, описанные в литературе для других материалов.
Показано, что при изготовлении сплавных контактов к кремнию, компенсированному кадмием, в месте контакта образуется «/-слой. При изучении уровней кадмия он существенно влияет на данные емкостных измерений и не сказывается ва холловских кзиерениях С помощью последних определены уровни кадмия в кремнии.
Построена теория изотермической и термостимулированной релаксации емкости и тока, для модели п - г - р-лерехода. без каких-либо ограничелий на уровень легирования низиоомньгх областей и
5 , концентрационные профили мелких и глубоких центров. Эта теория объясняет .«ирокнй круг аномальных явлений в спектроскопии глубоких уровней и не; требует придания глубоким центрам особенных свойств. Эти явления обнаружены и детально исследованы в диссертации в GaAs и некоторые из них описаны в литературе.
Предложены способы вычисления и выполнены распеты характерных точек спзктроя ТОТ и ТСЕ для одностороннего перехода с начальной поляризацией и двухстороннею перехода, изготовленных из компенсированных полупроводников, в зависимости'от параметров перехоцсЕ. Решены задачи о ТОТ в р — п-нереходе с больгаям последовательным сопротивлением и в п — тг — р-переходе с учетом сопротивления т-области. Изучена трансформация спектров, обусловленная наличием сопротивления. Найдено новое условие максимума ТСТ и аномального максимума ТСЕ в n— jt —р-переходе. Максимумы соответствуют момеьту входа границы области пространственного заряда (ОПЗ) в ^-область.
Экспериментально изучены основные проявления аномальної! релаксации емкости и тока в и — тг - р-переходе: немонотонный (с экстремумами) характер кривых изотермической релаксации тока и емкости, а также термостнмулированнои релаксации емкости; дуплеш и пики треугольной формы в спектре термостимулнрованного тока; сильный, сдвиг пика ТСТ в сторону высоких температур. Установлена природа аномалий: они возникают при перезарядке одного типа центров и обусловлены пространственным распределением объемного заряда н не связаны'с какими-либо специфическими свойствами глубоких центров или наличием нескольких типов центров. Предложенный механизм немонотонной рел^кСашш тока предполагает инверсию электрического поля в гг-области и образование в результате гигантской подвижней повуппш.
Экспериментально и теоретически показано, что в слабо асимметричной переходе на основе сильно компенсированного полупроводника (частный случай указанной модели) аномальная (немонотонная) релаксация емкости вызывается асимметрией скорости эмиссии и неоднородными профилями мелких примесей в одной кли обеих сторонах перехода.
С помощью комплекса взаимно дополняющих методик экспериментально изучены глубокие центры в структурах из жидкофаэиого GaAs и AlxGai-xAs, легированных хромом и железом и имевших
слой высокоомного материчла. Использованы метод ТСТ, ИРЕ, импульсный метод и различные варианты методики температурной зависимости импеданса, и том числе оригинальна* меіодика, ноэволя-ющая дополнительно определить ирофи;и, удельного сопротивления высокоомной оо.части структуры. Предложены и апробированы схемы анализа спектров ТСТ, предназначенные для однозначной идентификации ликов и определения скорости эмиссии. Выявлено наличие уровней А- и П центров, хрома, аіелеза, комплекса-с участием железа и меди.
Практическая ценноегь. Разработанная аппаратура для, измерения cneKTjwu ТСТ, использованные способы анализа этих спектров, теоретические результаты по релаксации емкости и тока в сложных р - н-структурах, теории и техника методов нес гационарного импульсного Т003, способ анализа импеданса диода с неоднородной базой из перекомпенсировапнош материала, способ выявления уточек по поверхности могут быть использованы в практической спектроскопии как в лабораторний практике, так и в промышленности при контроле качества материала. Полученные сведения о неконтролируемых центрах и сиойстпах слоев, компенсированных хромой и железом, могут быть использованы при совершенствовании тзхноло-гин выращивания.
На защиту выносится :
-
Релаксационный метод определении времени захвата н скорости термической эмиссии, осноиаинык на изм^релинх переходною ТООЗ и его применение ь комбинации с методом импульсного ТООЗ к кремнию, переьомпеисированному облучением нейтронами.
-
Экспериментальные доказательства справедливости теории импеданса диэлектрического диода, построенной с учетом ««секционной способности контакта к компсисирочанному полупроводнику.
-
Закономерности и механизм формирования нелинейного токового переходного процесса в кремнии при вовлеченности в процесс двух глубоких уровней.
-
Механизм гашення устойчивой фотопроводимости, учитывающий иаругпеш.е нейтральности обрата.
-
Теория релаксации емкости и тока для общей модели г» -- г — р-перехода как основа релаксационной спектроскопии з сложных р — «структурах на основе сильно чоччеиенрованпых к перч--комненскронянных материалом.
(5. Расчеты характерных точек спектров TCR и ТСТ для переходов на основ»; сильно компенсированных полупроводников и п — п—р-«ерсхолої; с аномальной релаксацией.
-
Расчеты спектров ТСТ в сложных р — »-crpj«турах с учетом последовательного сопротивления.
-
Экспериментальные исслепоиания аномальной релаксации и ее природы в оруьгурах из GaAs.
S. Результаты комплексного исследования эпитаксчалышх слое» СаАа и .'ИХС7<«: ..хЛз, легированных хромом л жетезом, включа-юіікт изучение глубоких уровнен іі однородности слоев.
Апробация роботы. Основные результаты работы докладывались на IV Всесоюзном совещании но исследованию арсенида галлия (Тонек, J974r.), на Всесоюзной конференции но физическим процессам в иолулронодникояых гстероструктурах (Лгт.абад, 1978 г.), на П Всесоюзном совещании по глубоким уровням в полупроводниках (Ташкент, 1У80 г.), на всесоюзной конференции но физике соединений .Iя/?5 (Новосибирск. 1931 г.), на на IX Всесоюзной конференции по физике полупроводников (Баку, 1!>82 г.), на X Всесоюзной -енфе-Р'ччил; но физике нолупроготннтов (Минек, 19?а г.), на XI Всесоюзной конференции ш физик,-полупроводников (Кишинев, 1938 г.), за XI! Всесоюзной конференции по физике полупроводников Плис» , 19-90 г.), на Нерепіі национальной конференции "Дефекты в полупроводниках" ('С'анкт-lle-jep(i\pv, i'J!!2 г.).
Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы з 27 печатных работах, список которых приводится в копне авторе-фераз а.
Структура дмесертацпк. Диссертация состоит из зведення, семи глав и заключения, изложена на 23G страницах. Ояз включает 85 рисунков, 3 таблиц и синеок литературы из 212 наименований.
