WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 3 Вольт-фарадные характеристики p-n-структур на основе (111)Si, легированного эрбием и кислородом © А.М. Емельянов, Н.А. Соболев, А.Н. Якименко Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Санкт-Петербурский государственный технический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия (Получена 24 августа 2000 г. Принята к печати 5 сентября 2000 г.) Исследованы вольт-фарадные характеристики туннельных диодов, полученных с использованием соимплантации эрбия и кислорода в пластины монокристаллического Si (111). Обнаружено наличие аномального увеличения емкости p-n-перехода при увеличении обратного напряжения при определенных, зависящих от дозы имплантации, температурах. Рост емкости (уменьшение ширины области пространственного заряда) связывается с образованием в n-слое p-n-перехода высокой плотности глубоких уровней в запрещенной зоне Si и освобождением их от электронов в области пространственного заряда при увеличении напряжения.

Экспериментальные результаты указывают на то, что параметры дефектов, ответственных за появление уровней, могут зависеть от дозы имплантации эрбия и кислорода.

Имплантация ионов эрбия и кислорода в монокри- имплантации эрбия и кислорода, температурах интервасталлический кремний используется для создания све- лов роста емкости на вольт-фарадных характеристиках тоизлучающих Si(Er,O)-диодов [1–7]. Такие диоды излу- обратно смещенных p-n-переходов в допробойной облачают на длине волны 1.54 мкм, соответствующей сти с ростом приложенного напряжения.

4 переходам из первого возбужденного состояния I13/2 4 в основное состояние I15/2 ионов Er3+. К настоящеЭкспериментальные условия му времени электролюминесценция (ЭЛ) ионов эрбия при комнатной температуре наблюдалась как при пряИмплантация ионов эрбия с энергиями 2.0 и 1.6 МэВ мом [1], так и обратном [1–7] напряжении, подаваемом и дозами 3 · 1014 см-2 (образец 3.2) и 9 · 1014 см-на Si(Er,O)-диод как в режиме туннельного [1–3], так и (образцы 3.3 и 3.5), а также кислорода с энергиями лавинного [3–7] пробоя при ориентации Si(100) [1,4,6] 0.28 и 0.22 МэВ и дозами 3 · 1015 см-2 (образец 3.2) и (111) [2,3,5–7]. Ранее нами было обнаружено [2–7], и 9 · 1015 см-2 (образцы 3.3 и 3.5) и проводилась в что электролюминесцентные и электрофизические свойполированные пластины кремния n-типа проводимости, ства Si(Er,O)-диодов с ориентацией Si(100) и (111) в выращенные по методу Чохральского. Образцы 3.2 и 3.режиме пробоя значительно различаются. В частности, изготавливались на основе Si(111) с удельным сопротивсущественные различия характерны для температурных лением 5 Ом · см, а образец 3.5 — на основе Si(100) зависимостей интенсивности ЭЛ. Если для ориентации с удельным сопротивлением 15 Ом · см. Имплантация Si(100) при фиксированном обратном токе через диод сопровождалась аморфизацией приповерхностного слоя.

обычно наблюдается монотонное уменьшение интенсивИоны бора (40 кэВ, 5 · 1015 см-2) и фосфора (80 кэВ, ности ЭЛ ионов эрбия при увеличении температуры 1015 см-2) имплантировались в лицевую и обратную от 80 K до комнатной [4,6], то в Si(Er,O)-диодах на сторону пластин соответственно для создания сильно основе Si(111) в режиме пробоя наблюдались ”аномальлегированных p+- и n+-слоев. Отжиг при 620C в теные” температурные зависимости интенсивности ЭЛ, на чение 1 ч и 900C в течение 0.5 ч приводил к перекрикоторых присутствовал участок роста (температурного сталлизации аморфного слоя и образованию оптически возгорания) интенсивности ЭЛ при увеличении темпеи электрически активных (донорных) центров. По данратуры образца [3,5,6]. В работе [5] впервые было ным вторичной ионной масспектрометрии (ВИМС), в предложено объяснение этого эффекта, базирующееся на результате имплантации и отжигов формировался лепредставлениях о наличии в легированной эрбием и ки- гированный эрбием слой кремния, который на расстослородом области Si(111) высокой плотности уровней в янии 0.5–0.8 мкм от поверхности полупроводника имел запрещенной зоне кремния (при низких температурах — практически постоянную концентрацию эрбия 1019 см-ловушек для дырок), которые заполняются в результате в образце 3.2 и 4 · 1019 см-3 в образце 3.3 [3].

протекания тока. В рамках этой модели эффект тем- По данным ВИМС [3], концентрация атомов бора в пературного возгорания ЭЛ объясняется термическим максимуме в этих образцах достигала 3 · 1020 см-3.

опустошением ловушек, приводящим к изменению ха- Меза-диоды с рабочей площадью s = 0.12 мм2 изготаврактеристик пробоя. ливались по обычной технологии [4]. Обратные ветВ настоящей работе обнаружено и исследовано еще ви вольт-амперных характеристик (ВАХ) диодов изодно необычное свойство (111)-Si(Er,O)-диодов, а имен- мерялись на частоте 32 Гц при длительности импульно — наличие при определенных, зависящих от дозы сов 0.5 мс. Величина экстраполированного (полученного Вольт-фарадные характеристики p-n-структур на основе (111)Si, легированного эрбием... в настоящей работе значения C определялись из номограмм, принцип построения которых описан далее.

В результате исследований эквивалентной схемы, собранной из магазинов сопротивлений R и r, а также емкостей C, нами были построены зависимости измеряемой прибором емкости Cm от измеряемой проводимости Gm при различных C и r. Величина Gm варьировалась путем изменения R. Пример таких зависимостей для r = 50 Ом и различных C представлен на рис. 1. Как видно из рис. 1, множество экспериментальных зависимостей типа представленных на рис. 1 образуют систему номограмм для определения емкости p-n-переходов по результатам измерения Cm, Gm и r. Сопротивление r приравнивалось к дифференциальному сопротивлению диода в режиме развитого пробоя, когда активное сопротивление p-n-перехода мало по сравнению с сопротивлением подложки. Для образцов 3.2 и 3.3 при 300 K величина r составляла 50 Ом, а для образца 3.5 — 150 Ом.

Уменьшение температуры приводило к уменьшению r.

По нашим оценкам, применение описанной методики к Рис. 1. Зависимости измеренной емкости Cm эквивалентной схемы диода, состоящей из параллельно включенных магазина полученным нами результатам измерения Cm и Gm с сопротивлений R, магазина емкостей C и последовательно с использованием Е7-12 обеспечивало погрешность опреними включенного сопротивления r = 50 Ом, от измеренной деления емкости C менее 10%.

активной проводимости Gm. Величина Gm варьировалась путем изменения R. Значения емкости C в пФ указаны цифрами у Экспериментальные результаты кривых.

и их обсуждение Исследования ЭЛ и обратных ветвей ВАХ диодов, экстраполяцией близкого к линейному участка ВАХ при изготовленных по технологии образцов 3.2 и 3.3, опибольших токах) напряжения пробоя (Vth) при комнатной саны в работах [2,3]. На рис. 2 приведены измеренные температуре для образцов 3.2, 3.3 и 3.5 составляла при 300 K зависимости емкости обратно смещенных соответственно 4.2, 5.2 и 3.2 В. Для всех исp-n-переходов от напряжения, приложенного к диоду.

следованных диодов имело место увеличение Vth при Если для образцов 3.2 и 3.5 имеет место обычный вид охлаждении, что характерно для механизма туннельного пробоя. Измерения емкости и активной проводимости диодов в режиме подачи допробойного обратного напряжения смещения V проводились с использованием измерителя емкости и активной проводимости Е7-12 на частоте f = 1 МГц при амплитуде тестирующего сигнала 25 мВ. Измеритель Е7-12 рассчитан на параллельную эквивалентную схему измеряемого объекта, состоящую из емкости и активного сопротивления. Эквивалентная схема исследованных нами диодов помимо параллельно включенных емкости C и активного сопротивления R p-n-перехода включала последовательно соединенное активное сопротивление кремниевой подложки (базы) r.

Из радиотехники известно, что величины емкостей C и сопротивлений R могут быть определены на основании измеряемых по параллельной схеме значений емкости Cm и активного сопротивления Rm из системы уравнений:

C Cm =, (1) (1 + r/R)2 + 2C2r1 (r + R) +2C2R2r =, (2) Rm (r + R)2 + 2C2R2rРис. 2. Измеренные при 300 K зависимости емкости p-nгде = 2 f. Эта система в общем случае не решена переходов образцов 3.2, 3.3 и 3.5 от обратного напряжения, из-за нелинейности входящих в нее уравнений. Поэтому приложенного к диоду. Номера образцов указаны около кривых.

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 332 А.М. Емельянов, Н.А. Соболев, А.Н. Якименко возрастает с уменьшением температуры, и при температурах, близких к 80 K, рост емкости не наблюдался.

Измеренные при различных температурах C-V -характеристики образца 3.2 представлены на рис. 4. Для этого образца также наблюдаются участки роста емкости с ростом V, но в диапазоне температур ниже комнатной, включая 80 K. Напряжение, соответствующее началу роста емкости в образце 3.2, также увеличивается с уменьшением температуры образца, но приращения емкости с ростом напряжения значительно меньше, чем для образца 3.3.

Рис. 3. Измеренные при различных температурах зависимости емкости p-n-перехода образца 3.3 от обратного напряжения, приложенного к диоду. Температура измерений T, K указана цифрами у кривых.

C-V -характеристик (уменьшение емкости p-n-перехода с ростом напряжения, обусловленное увеличением ширины обедненного слоя), то в образце 3.3 при V > 0.5В наблюдается рост емкости p-n-перехода с ростом напряжения. Диапазон напряжений в допробойной области, в котором происходит рост емкости, соответствует средним напряженностям (F) электрического поля Рис. 4. Измеренные при различных температурах зависимости емкости p-n-перехода образца 3.2 от обратного напряжения, 3 · 104 В/см < F < 5 · 105 В/см приложенного к диоду.

Величина F определялась по формуле VC F =, (3) 0s где — относительная диэлектрическая проницаемость Si, 0 — электрическая постоянная. Еще одним необычным свойством образца 3.3 является то, что при V 0 емкость p-n-перехода для него в несколько раз меньше емкостей образцов 3.2 и 3.5, имеющих такую же площадь и не превосходящих его по дозам введенного эрбия и кислорода. Отметим также, что вид зависимостей Gm(V) при 300 K образцов 3.3 и 3.5 имеет одинаковый характер, и при 0.8 V 3 В они различались не более чем на 40%; причем при 0 V 1.8В величина Gm в образце 3.5 была больше, чем в образце 3.3, а при 2.2 < V 3 В — наоборот, меньше.

На рис. 3 представлены C-V -характеристики образца 3.3, измеренные при различных температурах в допробойной области напряжений. В диапазоне температур 195–385 K участки роста емкости с ростом напряжения наблюдаются на всех C-V-характеристиках. Напряже- Рис. 5. Зависимости емкости p-n-переходов образцов 3.3 и 3.ние, соответствующее началу участка роста емкости, при различных напряжениях на диодах от температуры.

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. Вольт-фарадные характеристики p-n-структур на основе (111)Si, легированного эрбием... оказывать протекающий ток из-за возможности рекомбинации электронов на ГУ с дырками и захвата электронов на ГУ. Увеличение напряжения может приводить к росту вероятности выброса электронов с ГУ в зону проводимости [8], например в соответствии с эффектом Френкеля– Пула, а также увеличивать плотность тока. Заметим, что исследованные диоды характеризовались значительными обратными токами. Например, при V 2В токи в образцах 3.2 и 3.3 практически совпадали и составляли 0.5 мА. Столь значительные токи также могут быть связаны с высокой плотностью уровней дефектов в запрещенной зоне Si, которые при определенных условиях являются эффективными центрами генерации носителей заряда. Измерения ВАХ продемонстрировали, что при 300 K, в диапазоне 0 V 3 В и одинаковых значениях V токи в образцах 3.2 и 3.3 отличались не более чем на 40% и монотонно возрастали с ростом V, причем при 0 V 1.8 В ток в образце 3.2 был меньше, чем в 3.3, а при 2.2 V 3 В — наоборот, больше. Поэтому наблюдаемые различия C-V- и C-T -характеристик Рис. 6. Зависимости емкости p-n-перехода образца 3.2 при образцов 3.2 и 3.3 не могут быть объяснены только различных напряжениях на диоде от температуры. Значения различием в протекающих через них обратных токах.

напряжения обратного смещения V, В указаны цифрами на Уменьшение плотности электронов на ГУ в ОПЗ рисунке.

n-области и вызывает необычный рост емкости p-n-переходов с ростом приложенного напряжения.

В рамках таких представлений сдвиг интервала Для образца 3.5 с ориентацией Si(100), прошедшего температур, в котором наблюдается рост емкости все те же технологические операции, что и образец 3.3, от напряжения, и смещение участка резкого роста C-V -характеристики в диапазоне температур 80–350 K емкости от температуры для образца 3.2 в область не содержали участков роста емкости с ростом напряжеболее низких температур по сравнению с образцом 3.ния в допробойной области напряжений.

могут быть связаны с меньшей энергией активации ГУ в На рис. 5 для диодов 3.5 (при напряжении V = 0.5В) образце 3.2 по сравнению с образцом 3.3. Представлени 3.3 (V = 0.5-2.5В) представлены построенные по ные экспериментальные результаты свидетельствуют, результатам измерений C-V -характеристик зависимости что параметры дефектов, ответственных за появление ГУ емкости p-n-перехода от температуры. Для образца 3.в образцах 3.2 и в 3.3 различаются. Наиболее вероятным с ориентацией Si(100) имеет место относительно ненам представляется образование в (111)Si в результате большое уменьшение емкости p-n-перехода при уменьимплантации и последующих отжигов протяженных шении температуры от 350 до 80 K. Для образца 3.3 с дефектов, параметры которых изменяются, например, ориентацией Si(111) емкость p-n-перехода при 80 K на за счет изменения их размеров в зависимости от дозы порядок величины меньше, чем для 3.5, и на зависиимплантации. Даже будучи нейтральными до захвата мостях емкости от температуры наблюдаются участки электронов такие дефекты за счет своей протяженности резкого значительного увеличения емкости при увеличе- могут иметь значительную область действия потенциала нии температуры образца. При увеличении напряжения дефекта, и по этой причине энергетический барьер для начало резкого роста емкости от температуры сдвигается выброса захваченного электрона из них в электрическом в область более низких температур. Для образца 3.2 с поле может значительно снижаться. Действительно, в меньшей, чем в 3.3 дозой имплантации эрбия и кислоро- электрическом поле напряженностью F уменьшение да, резкий рост емкости проявляется при более низких энергетического барьера E для выброса электрона в температурах, чем в образце 3.3 (см. рис. 6). зону проводимости из потенциальной ямы радиуса Представленные экспериментальные результаты ука- может быть оценено из формулы [8] зывают на наличие в образцах с ориентацией Si(111) E = eF. (4) высокой концентрации глубоких уровней (ГУ) в запрещенной зоне n-области p-n-перехода, степень за- Согласно [8], E = 10-3 эВ (т. е.

Pages:     || 2 |



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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.