WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Прудаев Илья Анатольевич ДИФФУЗИОННЫЕ СТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ, ЛЕГИРОВАННОГО Fe и Cr 01.04.10 – физика полупроводников

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Томск – 2009 1

Работа выполнена на кафедре полупроводниковой электроники ГОУ ВПО «Томский государственный университет» и в лаборатории физики полупроводников ОСП «Сибирский физико-технический институт Томского государственного университета»

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Хлудков Станислав Степанович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, старший научный сотрудник Вилисов Анатолий Александрович доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Коханенко Андрей Павлович

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники»

Защита диссертации состоится 4 июня 2009 г. в 14.30 на заседании диссертационного совета Д 212.267.07 в ГОУ ВПО «Томский государственный университет» по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 36

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке ГОУ ВПО «Томский государственный университет» по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 34 а Автореферат разослан « » апреля 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.ф.-м.н., профессор И. В. Ивонин 2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Вся современная элементная база микроэлектроники построена на основе полупроводников, легированных «мелкими» примесями. В последние 10-15 лет в Томском госуниверситете активно развивается элементная база функциональной электроники, в основе которой лежат технологии легирования примесями с глубокими уровнями и создание многослойных полупроводниковых структур.

Многослойные структуры на основе арсенида галлия, легированного примесями хрома или железа (GaAs:Cr,Fe), успешно используются для изготовления целого ряда приборов. Среди них основными являются импульсные лавинные S-диоды, фотоприемники ультрафиолетового диапазона, детекторы заряженных высокоэнергетических частиц, рентгеновского и гамма-излучений. По совокупности основных параметров данные приборы не уступают ближайшим аналогам.

Диффузия Cr и Fe в n-GaAs как способ изготовления компенсированных структур используется более 30 лет. Она удобна технологической простотой и малыми финансовыми затратами по сравнению с эпитаксиальными методами.

Однако, в диффузионной технологии компенсированных структур имеется ряд нерешенных проблем. Одной из таких проблем является сложность получения компенсированных слоев толщиной более 1 мм для чего необходимы высокие температуры и большие времена диффузии, при которых возможна термоконверсия материала. Другой проблемой является относительно невысокий процент выхода диффузионных S-диодов с требуемыми параметрами. Это связано с недостаточной изученностью влияния параметров диффузионных профилей на механизмы переключения и параметры S-диодов. Ранее при анализе результатов предполагалось, что при диффузии примесей Cr или Fe в GaAs формируется не плавный, а резкий --переход. Такое упрощение позволило обосновать некоторые эмпирические зависимости и предложить технологические маршруты изготовления приборных структур, однако оно не является корректным, поскольку диффузионные электронно-дырочные переходы следует рассматривать как плавные. Кроме того, отсутствие надежных сведений о диффузионных параметрах электрически активных атомов Cr и Fe в GaAs не позволяло ранее описывать характеристики приборов с учетом точного распределения данных примесей. В частности, представленные в литературе данные по коэффициентам диффузии хрома в GaAs отличаются при одних и тех же температурах более чем на 3 порядка, что, очевидно, связано с различными условиями легирования.

Данных о температурной зависимости растворимости электрически активных атомов Cr и Fe в GaAs в литературе не представлено.

Из вышеизложенного следует, что управление электрическими характеристиками приборных диффузионных структур требует тщательного исследования диффузионных процессов, лежащих в основе технологии их получения. Помимо получения фундаментальных данных по диффузии, такое исследование позволяет предложить новые пути управления характеристиками изготовляемых приборов.

Целью диссертационной работы является установление закономерностей, связывающих электрофизические характеристики диффузионных GaAs:Cr и GaAs:Fe структур с электрическими параметрами приборов, изготовленных на их основе. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Исследовать температурные зависимости растворимости и коэффициента диффузии Cr и Fe в GaAs, лежащие в основе технологии многослойных структур с примесями с глубокими уровнями.

2. Изготовить полупроводниковые структуры и приборные элементы с различными профилями распределения примесей Cr и Fe в GaAs в процессе диффузии.

3. Исследовать закономерности протекания тока в приборных структурах с глубокими центрами от типа и градиента распределения примеси, типа и параметров структур, задаваемых условиями диффузионного легирования.

Объектом исследования являлись многослойные структуры на основе GaAs, легированного в процессе диффузии примесями хрома (GaAs:Cr) и железа (GaAs:Fe), создающими глубокие энергетические уровни.

Экспериментальное определение профилей распределения, коэффициентов диффузии и растворимостей примесей осуществлялись методом p-n-перехода, методом двух образцов и аппроксимацией профилей функцией дополнения интеграла ошибок до единицы. Экспериментальные исследования статических и динамических вольт-амперных характеристик (ВАХ) проводились при помощи стандартных измерительных методик (статические характеристики измерялись в о интервале температур от -10 до +75 С, измерение обратной ВАХ после переключения проводили в импульсном режиме при комнатной температуре в схемах автогенератора и обострителя).

Научная новизна 1. Впервые определены температурные зависимости коэффициента диффузии и растворимости Cr в GaAs при диффузии в открытой системе (в потоке инертного газа).

2. Впервые определена температурная зависимость растворимости электрически активных атомов Fe в GaAs при диффузии в запаянных ампулах при высоком давлении паров мышьяка (P 1 атм).

3. Получены новые экспериментальные данные о закономерностях протекания тока при обратном смещении лавинных S-диодов в зависимости от толщины базы (-слоя) и влиянии инжекции неравновесных электронов с тылового контакта к -слою на статические характеристики лавинных S-диодов.

4. Предложен новый тип многослойной полупроводниковой структуры и способ её изготовления в процессе двойной диффузии Cr и Fe в n-GaAs, позволяющие создать высоковольтные лавинные S-диоды; исследованы температурные зависимости ВАХ высоковольтных структур.

Практическая значимость Результаты исследования температурных зависимостей коэффициента диффузии и растворимости примеси Cr в GaAs в открытой системе используются в серийном производстве полупроводниковых структур для многоэлементных детекторов ионизирующего излучения с максимальной толщиной активной области (до 1 мм и более).

Результаты исследования температурных зависимостей коэффициента диффузии и растворимости примеси Fe в GaAs в запаянных ампулах использованы при получении лабораторных образцов S-диодов с улучшенными характеристиками и могут быть использованы при разработке технологии изготовления промышленных образцов импульсных лавинных S-диодов.

Предложенные и исследованные в работе многослойные структуры Fe-CrCr-n-типа использовались для изготовления лабораторных образцов лавинных Sдиодов с повышенным значением напряжения переключения (до 650 В).

Практическая значимость работы подтверждается выполнением следующих научно-исследовательских программ, в рамках которых проводилась диссертационная работа: межотраслевая научно-техническая программа сотрудничества Министерства образования Российской Федерации и Министерства Российской Федерации по атомной энергии по направлению «Научно-инновационное сотрудничество» (2005 г.); ведомственная научная программа «Развитие научного потенциала высшей школы», подпрограмма 2:

«Прикладные исследования и разработки по приоритетным направлениям науки и техники» (2005 г.); федеральная целевая научно-техническая программа «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002-2006 годы» по приоритетному направлению «Развитие инфраструктуры» (2006 г.); программа «Участник молодежного научноинновационного конкурса», проводимая Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере при поддержке Федерального агентства по науке и инновациям и Федерального агентства по образованию (2007, 2008 гг.).

Научные положения, выносимые на защиту 1. Диффузия хрома в GaAs для открытой системы протекает по диссоциативному механизму; образование повышенной концентрации вакансий мышьяка обуславливает более высокий коэффициент диффузии хрома в GaAs для открытой системы в сравнении с закрытой при одинаковых температурах диффузии.

2. Переключение лавинных S-диодов, полученных диффузией Fe и Cr в n-GaAs, в проводящее состояние осуществляется в условиях развитого лавинного пробоя --перехода по микроплазмам и инициируется неравновесными электронами, инжектированными из прямосмещенного контакта к -слою;

это обуславливает слабую зависимость напряжения переключения и существенное уменьшение силы тока переключения с уменьшением толщины базы.

3. Управляемое понижение сопротивления части -области вблизи контакта приводит к усилению лавинных процессов в области объемного заряда -перехода вследствие перераспределения напряжённости электрического поля в GaAs:Cr структуре; это обуславливает снижение инжекции с прямосмещенного контакта в высокоомную -область, что обеспечивает увеличение напряжения переключения S-диодов.

Апробация результатов Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на международной конференции «Современные проблемы физики и высокие технологии» (г. Томск, 2003), на 4-ой и 6-ой Школах-семинарах молодых ученых «Современные проблемы физики, технологии и инновационного развития» (г.

Томск, 2003, 2005 гг.), на 9-ой и 10-ой Российских научных студенческих конференциях «Физика твердого тела» (г. Томск 2004, 2006), на международных конференциях «SIBCON» (IEEE International Siberian conference on control and communication, Tomsk, 2005, 2007, 2009), на 9-ой Международной конференции «Арсенид галлия и полупроводниковые соединения группы III-V» (г. Томск, 2006), на Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы радиофизики» (г. Томск, 2008).

Публикации Основные результаты диссертации опубликованы в печатных работах, 7 из которых – в изданиях, включенных в список ВАК.

Структура и объем диссертации Текст диссертации состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы и приложения; содержит 87 рисунков, 9 таблиц, библиографический список из 121 наименования – всего 194 страницы.

Личный вклад автора Диссертационная работа является результатом исследований автора, проводившихся совместно с сотрудниками НОЦ «Физика и электроника сложных полупроводников» ОСП «СФТИ ТГУ». Автором совместно с научным руководителем обсуждались цели работы, пути их достижения и полученные результаты. Личный вклад автора включает выбор методов решения задач, изготовление образцов и измерение их характеристик, проведение расчетов и анализ полученных данных.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Во введении обосновывается актуальность, научная новизна и практическая значимость проведенных исследований, сформулирована цель работы, изложены научные положения, выносимые на защиту, приводится краткая информация о структуре диссертации, публикациях и личном вкладе автора в научную работу.

Первая глава. В первой главе приводится обзор литературных данных по получению диффузионных структур на основе GaAs, компенсированного Cr или Fe, и исследованию их свойств. Тематически глава разбита на три части. Первая часть посвящена исследованию процесса диффузии примесей Cr и Fe в GaAs. Во второй части представлен обзор литературных данных по исследованию свойств электронно-дырочных переходов, образованных диффузией Fe и Cr в n-GaAs. В третьей части приводится краткий обзор приборов, изготовленных ранее на основе различных структур из GaAs, легированного Fe и Cr в процессе диффузии.

Анализ литературных данных показал, что механизм свободной диффузии атомов хрома и железа в GaAs – диссоциативный, а профиль распределения в объеме кристалла описывается функцией дополнения интеграла ошибок до единицы. При этом в литературе имеется большой разброс экспериментальных данных по коэффициентам диффузии (до пяти порядков), что является следствием различия условий экспериментов (диффузию проводили при разных давлениях паров мышьяка, через пленку SiO2, из напылённого металлического слоя или из навески). Сведений о температурных зависимостях растворимостей электрически активных атомов Cr или Fe в GaAs на начало работы в литературе не было. Также в литературе не было обнаружено данных об исследовании диффузии рассматриваемых примесей в открытых системах (в потоке инертных или восстановительных газов).

Электронно-дырочные переходы (--n-структуры), образованные диффузией примесей Cr или Fe в n-GaAs, обладают специфическими свойствами, что позволяет изготавливать на их основе ряд оригинальных приборов: лавинные импульсные S-диоды и детекторы широкого спектрального диапазона электромагнитного излучения.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»