Введение к работе
Актуальность темы
Физические процессы, происходящие в области пространственного заряда (ОПЗ), являются важнейшими для понимания механизмов функционирования полупроводниковых приборов, их параметров и качества. Важность исследований таких процессов особенно возросла после перехода к планарной технологии при изготовлении приборов для микроэлектроники и вычислительной техники, когда практически весь рабочий объем прибора стал представлять собой ОПЗ.
Важнейшими задачами создания сверхбыстродействующих схем вычислительной техники и обработки информации являются повышение быстродействия и уменьшение потребляемой мощности. При этом первая задача решается путем выбора полупроводниковых материалов с высокой подвижностью носителей заряда, а вторая – снижением рабочих напряжений приборов. В связи с этим расширяется использование диодов Шоттки на основе соединений A3B5 в СВЧ технике, оптике и оптоэлектронике.
Одним из направлений развития СВЧ электроники является использование полевых транзисторов на основе арсенида галлия. Данный материал имеет высокую подвижность электронов, что обеспечивает работу в диапазоне до 10 ГГц. Однако механизмы формирования обратных токов как контактов металл-полупроводник, так и p-n-переходов на основе арсенида галлия в значительной мере отличаются от классических и исследованы еще не достаточно. В частности в указанных выше структурах наблюдаются аномально сильные полевые зависимости обратного тока, что не описывается ни теорией Шоттки, в том числе с учетом влияния сил зеркального изображения, ни генерационно-рекомбинационной теорией. В связи с этим изучение механизмов протекания тока в обратносмещенных структурах с ОПЗ является важной и актуальной задачей.
Анализ научной литературы показывает, что важную роль в формировании обратных вольтамперных характеристик (ВАХ) играют термополевые и туннельные процессы. На величину вероятности таких переходов оказывает сильное влияние электрон-фононное взаимодействие. В связи с этим актуальным является развитие физических моделей, описывающих подобные переходы, а также разработка моделей определения параметров электрон-фонного взаимодействия и алгоритмов расчета полевых зависимостей термических и туннельных переходов по экспериментально определенным характеристикам рекомбинационных уровней, участвующих в процессе токопереноса.
Отмеченные выше проблемы решаются в рамках данного диссертационного исследования, а результаты исследования апробируются с использованием различных структур на основе арсенида галлия. Вследствие этого тема диссертации является актуальной.
Целью работы является изучение термополевых механизмов формирования обратных ВАХ структур с ОПЗ, разработка и апробация физических моделей для расчета вероятностей термополевых переходов с учетом электрон-фононного взаимодействия.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
-
Разработка алгоритмов расчета вероятностей термополевых переходов в сильных электрических полях с учетом влияния электрон-фононного взаимодействия в структурах на основе арсенида галлия;
-
Определение параметров глубоких рекомбинационных центров в контактах металл-полупроводник, на основе арсенида галлия, содержащего комплексы вакансия галлия – теллур, вакансия галлия – кремний и ловушку EL2, а также контактов металл-полупроводник и p-n-переходов на основе данного материала;
-
Определение различными методами параметров электрон-фононного взаимодействия и форм-функций оптических переходов, используемых для расчета вероятностей термополевых переходов;
-
Экспериментальная проверка достоверности расчета вероятностей термополевого перехода, сделанными различными методами.
Научная новизна:
-
Научно обоснованы и экспериментально проверены алгоритмы вычисления вероятности термополевых переходов на основании знания параметров глубоких рекомбинационных центров;
-
Доказано, что электрон-фононное взаимодействие играет решающую роль среди процессов, определяющих вероятность термополевых переходов с центров, образованных комплексами вакансии галлия с теллуром, а также ловушками EL2;
-
Показано, что в p-n-переходах, на основе арсенида галлия имеют место туннельно-рекомбинационные токи. Доказано, что при концентрации ловушек EL2 в ОПЗ p-n- перехода больше, чем 31015 см-3 вероятность туннельно-рекомбинационных процессов достаточна для создания плотности тока величиной более 10-9 Асм-2, что является критичным для полевых транзисторов.
Практическая значимость:
-
Разработаны новые экспериментальные методы определения параметров электрон-фононного взаимодействия на основании исследования спектров люминесценции и поглощения с участием уровней рекомбинации.
-
Предложен метод оценки параметров уровней, лежащих у середины запрещенной зоны, например EL2 в арсениде галлия, на основании стационарных температурных зависимостей емкости структур с ОПЗ.
-
Разработаны программные продукты, которые могут найти применение в обработке экспериментальных результатов: ВАХ, вольтфарадных характеристик (ВФХ), спектров термостимулированной емкости (ТСЕ) и спектров фотолюминесценции.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Разработанные в работе алгоритмы вычисления параметров термополевых переходов, основанные на модели электрон-фононного взаимодействия, адекватно описывают ВАХ приборов на основе арсенида галлия;
-
Особенности температурных зависимостей емкости ОПЗ структур на основе арсенида галлия обусловлены обменом электронов и дырок между уровнем, лежащим у середины запрещенной зоны, одновременно с зоной проводимости и валентной зоной;
-
Параметры электрон-фононного взаимодействия (энергия чисто электронных, термических и оптических переходов, фактор Хуанга и Рис, потенциалы основного и возбужденного состояний комплексов), определенные из фотоемкостных измерений, позволяют рассчитывать полевые и температурные зависимости обратных токов структур на основе арсенида галлия;
-
Основную роль в формировании обратных токов в арсениде галлия играют ловушки EL2. При концентрациях выше 31015 см-3 они приводят к появлению туннельно-рекомбинационных токов, при меньших концентрациях участвуют в термополевых переходах.
Апробация работы: По материалам диссертации были представлены тезисы и доклады на Международных конференциях «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (г. Ульяновск, 2004г., 2005г., 2006г.).
Достоверность результатов: Достоверность полученных результатов достигнута проведением измерений по апробированным методикам на автоматизированных измерительных комплексах, укомплектованных новой аттестованной аппаратурой, согласием экспериментальных результатов и теоретических моделей, развитых в ходе работы, согласием основных результатов, полученных в работе, с данными других исследователей.
Личное участие автора: В диссертационной работе изложены результаты, полученные как лично автором, так и в соавторстве. Все экспериментальные результаты работы, разработка программного обеспечения и измерительных установок, расчеты и обработка результатов получены и выполнены автором самостоятельно. Использованные в работе модели были разработаны в соавторстве с Булярским С.В.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, из них 5 статей, в том числе, одна в издании перечня ВАК, и 4 доклада, опубликованных в сборниках трудов конференций. Два разработанных программных продукта зарегистрированы в «Национальном информационном фонде неопубликованных документов».
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка литературы. Диссертация изложена на 163 листах, содержит 53 рисунка, 10 таблиц, список литературы из 163 наименований.
