WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 4 Рекомбинационная неустойчивость тока в эпитаксиальных p+-n-структурах с локально введенными в n-область примесными атомами и определение параметров глубоких центров на ее основе ¶ © Б.С. Муравский, О.Н. Куликов, В.Н. Черный Кубанский государственный университет, 350040 Краснодар, Россия (Получена 25 июня 2002 г. Принята к печати 2 июля 2002 г.) Приведены результаты исследований физических процессов, вызывающих возникновение рекомбинационной неустойчивости тока в кремниевых эпитаксиальных p+-n-структурах с локальным контактом на n-области структуры, получаемым посредством введения примесных атомов, создающих в запрещенной зоне кремния глубокие энергетические уровни.

На основе исследования неустойчивости тока определены параметры (плотность, энергетическое положение, сечение захвата электрона) глубоких центров, создаваемых в кремнии оловом, свинцом, кадмием и никелем.

1. Введение ленный вид НТ — поверхностно-барьерную неустойчивость тока (ПБНТ).

Динамические неоднородности в полупроводниках Рассматривая процессы, приводящие к ПБНТ, необи полупроводниковых структурах и связанная с ними ходимо учитывать, что образцы с поверхностно-барьернеустойчивость тока (НТ) представляют значительный ными переходами (ПБП) в отсутствие внешних воздейинтерес для создания принципиально новых приборов.

ствий уже имеют локальную область сильного электриИз всех видов НТ наименее изученным является класс ческого поля, которую можно уподобить существованию неустойчивостей, обусловленных рекомбинацией зарястатического домена (СД). Образование СД в приподов в полупроводниках — рекомбинационных неустойверхностной области n-Ge и n-Si обусловлено наличием чивостей тока (РНТ).

акцепторных поверхностных состояний. С этих позиций В последнее время неустойчивость тока этого типа НТ трактуется как периодическое возникновение и разне только продолжает исследоваться в традиционных вал под действием электрического поля статического для современной электроники материалах и структудомена [7].

рах [1–4], но и обнаружена в высокоомных кристаллах Как показали исследования, СД можно создавать в лоPbTe(Ga) [5]. Рекомбинационные процессы в плазме покальном участке приповерхностной области полупроводлупроводников зависят от многих факторов и, как отменика n-типа посредством диффузии атомов, вводящих чается в монографии [6], из-за многообразия физических в его запрещенную зону глубокие акцепторные уровфакторов, которые не всегда удается контролировать, ни [9]. Как в случае СД, созданного за счет поверхРНТ занимают ведущее место среди других видов НТ ностных состояний, так и за счет введенных в припокак по количеству, так и по противоречивости литераверхностный слой полупроводника примесных атомов, турных данных. На основе проведенного нами анализа наиболее просто, устойчиво и легко управляемо ПБНТ работ по РНТ, охватившего практически все работы по возбуждается в структурах, представляющих собой расэтому типу НТ, можно сделать вывод, что необходимым пределенный по всей площади кристалла p+-n-переход.

условием существования колебаний является наличие В частности, он может быть в виде эпитаксиальной в образцах ловушек, энергетические уровни которых p+-n-структуры, в n-область которой вводятся примеспопадают в запрещенную зону. Такие уровни создают ные атомы (активный контакт) [4,9]. В таких структурах либо введением примеси, либо они связаны с наличием периодическому развалу СД за счет туннельной эмисвсевозможных дефектов решетки или поверхностных сии электронов из примесных атомов и возникновению состояний.

неустойчивости способствует накопление в n-области Другим необходимым условием является наличие проструктуры дырок, компенсирующих заряд электронов, цессов, приводящих к нарушению квазиравновесного локализованных на глубоких акцепторных уровнях. Пераспределения носителей. В работах [7,8] неустойчириодическое изменение концентрации дырок в n-области вость тока связывается с периодическим заполнением приводит к параметрическому изменению барьерной и опустошением поверхностных состояний и соответемкости активного контакта и распределенного p-nственно изменением высоты контролируемого ими поперехода и возникновению не только колебаний тока, тенциального барьера, что позволяет выделить опредепротекающего через активный контакт (АК), но и интен¶ E-mail: oleg_kulikov@pochtamt.ru сивных колебаний напряжения на p+-n-переходе [9,10].

394 Б.С. Муравский, О.Н. Куликов, В.Н. Черный Перспективность для компонентов микросистемной техники РНТ, возникающих в структурах с распределенным p+-n-переходом, подтверждается разработкой опытных образцов простых приборов, эффективно преобразующих аналоговое изменение излучения, емкости, напряжения, тока в частоту следования электрических импульсов. Приборы имеют несколько каналов управления, высокую чувствительность по входу, большую величину выходного сигнала, широкий диапазон перестройки импульсов тока и пилообразного напряжения [4,10,11].

В работах [4,9–11] в структурах с распределенным p+-n-переходом РНТ рассматривалась в основном с точки зрения возможности создания принципиально Рис. 1. Структура образца и схема измерений: 1 — локальновых приборов, и детально не обсуждались физические ный контакт с введенными в n-область примесными атомами процессы, обусловливающие существование НТ. Кроме (активный контакт); 2, 3 — омические контакты; 4, 5 —вольттого, не рассматривалась возможность определения паметры ВУ-15; 6 — двулучевой осциллограф; 7 — блок питания раметров глубоких центров, ответственных за существо- Б5-9; Rn — сопротивление нагрузки.

вание НТ, связанная с использованием периодического изменения величины заряда в примесных центрах.

Цель работы заключается в исследовании особенности физических процессов, вызывающих РНТ в кремниевых структурах с эпитаксиальным p+-n-переходом, на n-области которых создавался АК посредством локального введения примесных атомов, а также в определении плотности, энергетического положения и сечения захвата глубоких центров (ГЦ), ответственных за НТ.

2. Результаты и их обсуждение 2.1. Для изготовления образцов использовались кремниевые структуры, на p-областях ( = 10-2 Ом · см) которых эпитаксиально выращивался n-слой толщиной 10-15 мкм ( = 2-4Ом· см). Активный контакт с введением в его состав примесных атомов олова, свинца и кадмия создавался посредством размещения на n-области структуры навесок из этих материалов в виде шариков диаметром 0.5 мм. После ионно-плазменной Рис. 2. Типичная вольт-амперная характеристика активного обработки заготовки в вакууме 10-5 Торр производился контакта.

ее нагрев при температуре 700-750Cв течение 15 мин с последующим охлаждением до температуры 25C в течение 20 мин. Контакты с введенными атомами пилообразные колебания потенциала большой амплитуникеля изготавливались посредством напыления металды. Типичная осциллограмма колебаний тока через АК ла в вакууме на n-область структуры после предварии напряжения на p+-n-переходе приведена на рис. 3.

тельной ионно-плазменной обработки ее поверхности Физические процессы, определяющие особенность и последующего прогрева заготовки в течение 0.5-1ч электрофизических характеристик структур, кратко распри температуре 350C. Активные контакты 0.50.5мм сматривались в работе [4]. Одним из наиболее важных формировались с помощью фотолитографии. Структура процессов, способствующих указанным особенностям образца и схема измерений приведены на рис. 1.

структуры, является стимулируемое положительными 2.2. Типичная вольт-амперная характеристика (ВАХ) обратными связями по току и напряжению накопление активного контакта (АК) при разомкнутом p+-n-передырок в n-области структуры, существенно изменяюходе приведена на рис. 2. Особенность ВАХ состоит щее структуру области пространственного заряда АК в том, что с некоторого обратного напряжения величии p+-n-перехода и, в частности, приводящее к уменьной Uak (Uak = 2-8 В для различных образцов) в цепи шению ее ширины.

АК возникают интенсивные импульсные колебания тока (характерное размытие на ВАХ, см. рис. 2). Одновремен- Рассмотрим физические процессы, определяющие но на p+-области относительно вывода базы возникают особенности электрофизических свойств структур.

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Рекомбинационная неустойчивость тока в эпитаксиальных p+-n-структурах... в несколько кОм. Поскольку потенциал p+-области, вследствие ее высокой проводимости (102 Ом-1 · см-1), не зависит от координаты, потенциал вдоль распределенного p+-n-перехода при наличиии тока через АК изменяется, причем чем ближе участок распределенного перехода к АК, тем меньше отрицательное значение p и соответственно больше избыточная концентрация носителей в базе. В локальном участке непосредственно под АК величина p может обратиться в нуль или приобрести положительное значение. Возникающее на p+-n-переходе напряжение Up обусловлено, таким образом, экстракцией активным контактом дырок из базы и падением напряжения на распределенном сопротивлеРис. 3. Типичная совмещенная осциллограмма колебаний тока (верхняя кривая) и напряжения на p-n-переходе p (нижняя кривая).

Энергетическая диаграмма структуры с разомкнутой p+-областью при Ua = 0 и Ua = Uak и различных промежутков времени (см. рис. 3) изображены на рис. 4.

При подаче на АК обратного напряжения Ua относительно базы при разомкнутом p+-n-переходе за счет экстракции дырок из базы (контакт 2 на рис. 1) через АК возникает отрицательный градиент их концентрации вдоль базы. В результате уменьшается поток дырок из базы в p+-область, который был в равновесном состоянии, и встречный поток дырок из p+-области в базу оказывается неуравновешенным. Это приводит к появлению дырочного тока из p+-области в базу i p-n (рис. 4, a) и накоплению дырок в базе, а p+-область распределенного p+-n-перехода приобретает отрицательный потенциал p (плавающий потенциал).

В обычных транзисторах плавающий потенциал эмиттера, возникающий при подаче на коллектор обратного напряжения при разомкнутом эмиттере, не превышает, как известно, нескольких десятков милливольт.

В рассматриваемых нами структурах величина p при Ua = 3-15 В может достигать значений 0.5-2В. Это свидетельствует о значительном увеличении концентрации дырок в базе структур, что обусловлено особенностью „геометрии“ структуры, приводящей к появлению ряда положительных обратных связей по току, стимулирующих процесс накопления неосновных носителей в базе и тем самым увеличение p. Более интенсивному, чем в обычных транзисторах, накоплению дырок Рис. 4. Энергетическая диаграмма структуры: a —приUa = 0;

в базе структуры и в области пространственного заb —при Ua = Uak и t = 1; c —при Ua = Uak и t = 3, ряда (ОПЗ) активного контакта способствует падение Es — энергетические уровни глубоких центров, es — высота напряжения на распределенном сопротивлении базы, барьера, l1, l2 — ширина барьера, F — уровень Ферми, Fn которое у исследуемых структур достигает значений и Fp — квазиуровни Ферми электронов и дырок.

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 396 Б.С. Муравский, О.Н. Куликов, В.Н. Черный нии базы, и его величина зависит от напряжения, при- 2.3. Ранее кратко сообщалось о методе оценки параложенного к АК. С ростом концентрации дырок в базе метров поверхностных центров, создающих поверхностувеличивается ток через АК, это приводит к увеличе- ный потенциальный барьер в контакте металл–полупронию Up, что в свою очередь приводит к увеличению p, водник, по параметрам колебаний, возникающих за счет т. е. возникает положительная обратная связь по току, поверхностно-барьерной неустойчивости тока [13,14].

поддерживающая процесс накопления дырок в базе. Поскольку в исследуемых нами образцах за счет введеБолее детально процессы, приводящие к накоплению ния ГЦ также создавался поверхностный потенциальный неосновных носителей в структурах с распределенным барьер, указанный метод применим и к исследуемым p+-n-переходом, описаны в работе [4].

образцам.

Следует особо подчеркнуть, что описанные процесКак отмечалось выше, изменению тока колебаний от сы в структуре обусловлены требованиями сохранезначения i1 до i2 за время 3 соответствует процесс ния электронейтральности каждого участка структуры зарядки ГЦ. Поскольку спад тока во времени происходит и уравновешивания диффузионно-дрейфовых токов челинейно, суммарный заряд, локализованный под АК, рез эти участки и, в частности, равенства токов i p-n равен и in-p.

i2 - iqs = 3, (1) Увеличение концентрации дырок в базе структуры, связанное с рассмотренными выше процессами, вызыа поверхностная плотность центров составляет вающее сужение ОПЗ активного контакта, приводит qs к увеличению напряженности поля в нем (рис. 4, b), Ns =, (2) и при некотором критическом напряжении на актив- eSa ном контакте Uak, лежащем для различных образцов Sa — площадь активного контакта.

в пределах 3-15 В, происходит его туннельный пробой, По найденному значению величины поверхностного обусловленный туннельной эмиссией электронов с глузаряда на основе известного решения уравнения Пуасбоких центров, контролирующих потенциальный барьер сона для приповерхностной области в АК. Механизм туннельного пробоя АК структур детально обсуждался ранее в работах [8,12] и непосредes es 1/ственно подтверждается экспериментальными исследоqs = 2eniLD -1 exp - + (3) kT kT ваниями вольт-фарадных характеристик АК [4]. Действительно, вычисленная по измеренным значениям барьерможно рассчитать высоту барьера s и, зная энерной емкости АК при значениях Ua, близких к напряжегетическое положение уровня Ферми в n-области F, ниям пробоя Uak, ширина ОПЗ АК в результате накоплеоценить энергетическое положение глубокого уровня Es ния дырок сужается до значений 5 · 10-6-10-5 см. При в запрещенной зоне полупроводника:

прикладываемых напряжениях 3-15 В напряженность поля в ОПЗ оказывается достаточной для туннельной Es = es + F, (4) эмиссии электронов из глубоких центров, контролирующих потенциальный барьер в АК (ток is, см. рис. 4, b).

где ni — собственная концентрация, LD —длина Дебая, Это вызывает снижение высоты барьера и резкое увели = nn/ni, nn — концентрация электронов в n-области чение тока из металла в n-область (ток im, см. рис. 4, c).

структуры.

В результате структура переходит в состояние, изобраЭнергетическое положение глубоких уровней рассчиженное на рис. 4, b. После чего в результате рекомбинатывалось также по значению напряженности поля Ek, ции избыточных электронов и дырок, а также захвата соответствующему началу туннельной эмиссии элекэлектронов на глубокие центры структура — через тронов из ГЦ и приводящей к появлению колебаний.

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.