Введение к работе
Актуальность темы. Процессы дефектообразования в полупроводниковых кристаллах оказывают большое влияние на качество полупроводниковых приборов. Хотя спектр точечных дефектов в германии менее сложный по сравнению с другими полупроводниками, но электрически активные.дефекты в нем связаны не только с введением примесей, но и с собственными структурными дефектами, такими как вакансии и дислокации. К собственным дефектам .следует добавить комплексы, которые они образуют с атомами легирующих примесей. Природа дефектов, играющих решающую роль в полупроводниковых приборах на основе германия исследована еще недостаточно.
В промышленности для создания p-n-переходов широко распространен метод высокотемпературной диффузии. Этот процесс сопровождается интенсивным дефектообразованием. При этом создается большое количество дефектов, влияющих на работу полупроводниковых приборов. При повышении температуры кристалла появляются дополнительные вакансии. Они могут создавать комплексы с другими типами собственных дефектов и легирующими примесями. При этом в запрещенной зоне возникают глубокие уровни, которые оказывают существенное влияние на свойства материала и приборных структур. Поэтому необходимо не только констатировать факт присутствия глубоких уровней в полупроводниках и уметь с достаточной точностью определять их параметры (энергию активации, концентрацию), но и знать механизм образования данных дефектов. В последнее время в кремнии интенсивно изучается поведение кислорода, а также связанные с ним дефекты (термодоноры). В связи с этим исследуются процессы преципитации и комплексообразования. В германии поведение кислорода исследовано меньше.
Довольно часто ограничиваются моделями, основанными на рекомбинационно-генерационных процессах, но для комплексного понимания работоспособности приборов этого недостаточно. Необходимо исследование ігроцессов возникновения линейных дефектов, к которым относятся дислокации. В связи с изложенным,
комплексное исследование процессов образования как точечных, так и линейных дефектов в германии, содержащем достаточно большое количество кислорода, и их влияния на электрические свойства приборов, является актуальной задачей и имеет научное и практическое значение.
Цель и задачи исследований. Целью работы является исследование процессов дефекгообразования, приводящих к изменению электрических параметров лавинных фотодиодов на основе кислородосодержащего германия. Для достижения данной цели решались следующие задачи:
1. Выяснение основных механизмов токопрохождения в лавинных
фотоприемниках.
-
Определение параметров дефектов и их влияния на электрические свойства лавинных фотодиодов.
-
Исследование влияния низко- и высокотемпературного отжигов на процессы дефекгообразования в чистом германии.
Новые научные результаты:
-
Основной причиной, влияющей на ухудшение вольтамперных характеристик (ВАХ) в области пробоя лавинных фотодиодов (ЛФД) на основе кислородосодержащего германия, являются процессы преципитации кислорода, приводящие к возникновению дислокаций.
-
Активная преципитация кислорода в германии наблюдается при высоких температурах отжига, начиная с температур ~800К, и данный процесс ограничивается диффузией свободного кислорода.
-
В процессе низкотемпературного отжига происходит генерация дефектов, которые, по-видимому, связаны с образованием вакансионно-кислородных комплексов.
-
Использована новая методика для нахождения параметров глубоких центров, основанная на разделении рекомбинационного тока на составляющие, с помощью введения новой величины - приведенной скорости рекомбинации.
Таким образом, во всех процессах, приводящих к деградации параметров лавинных фотоприемников при термообработке, активную роль играет кислород. Научная и практическая ценность:
1. Экспериментально определен температурный диапазон начала активной
преципитации в кислородосодержащем германии, приводящий к процессам
образования дислокаций, который хорошо согласуется с теоретическими оценками по
модели, связанной с диффузией кислорода. Установлены энергии активации процесса
преципитации, которые соответствуют энергии активации диффузии кислорода.
2. Определены температурные интервалы "прямых" вольтамперных
характеристик ЛФД, в которых ведущую роль в процессе рекомбинации играют те
или иные зарядовые состояния многозарядных дефектов в германии. Построена
диаграмма, которая наглядно показывает данные температурные интервалы.
-
Определены параметры ряда рекомбинационных центров, Подтверждено проникновение атомов меди в германий в процессе отжига диодов, а также образование вакансионно-кислородных комплексов. Определены температурные интервалы, при которых влияние данных комплексов на электрические свойства диодов становится заметным.
-
На основании полученных результатов сформулированы рекомендации по совершенствованию процессов изготовления p-n-переходов в лавинных фотодиодах. Для уменьшения числа дислокаций, возникающих при отжиге, нужно либо понизить температуру диффузии, гак как она близка к температуре активной преципитации, либо уменьшить время самой диффузии.
5. Разработана методика расчета электрического поля в области
пространственного заряда на основе экспериментальной вольтфарадной
характеристики.
Положения, выносимые на защиту.
1, Процессы преципитации приводят к появлению дислокаций в германии и
росту избыточных токов, механизм которых связан с прыжковой проводимостью.
2. Процессы преципитации ограничиваются диффузией свободного кислорода.
3. При низкотемпературном отжиге (623-773 К) генерируются вакансии
германия и происходит образование кислородосодержащих вакансионных
комплексов.
4. Вакансионно-кислородные комплексы в германии являются многозарядными
дефектами, имеющими энергию активации 0,15; 0,20 эВ.
Апробация работы: Работа выполнена в рамках госбюджетных работ, выполняемых в рамках направления 2 государственной программы "Университеты России". Работа доложена на следующих конференциях: Всероссийская научно-техническая конференция "Перспективные материалы и технологии для средств отображения информации. Кисловодск, 1995; Всероссийская научно-техническая конференция "Перспективные материалы и технологии для средств отображения информации. Кисловодск, 1996; Первая Всероссийская конференция по материаловедению и физикохимическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния. Москва. 1996, а также на конференциях аспирантов и преподавателей Ульяновского государственного университета.
Личное участие автора: Основные теоретические положения разработаны совместно с проф. Булярским СВ. Проведение расчетов и экспериментов, анализ результатов и выводы из них сделаны автором самостоятельно.
Публикации: Основные результаты диссертации представлены в 7 печатных работах.
Структура и объем работы: Работа изложена на 120 страницах машинописного текста, содержит 47 рисунков, 10 таблиц, библиографии 110 научных работ.
