WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 6 Пробой барьера Шоттки в Si, стимулированный дрейфом экситонов в неоднородном электрическом поле при 4.2 K © А.М. Мусаев Институт физики им. Х.И.Амирханова, Дагестанского научного центра Российской академии наук, 367003 Махачкала, Россия (Получена 6 февраля 1996 г. Принята к печати 25 октября 1996 г.) Приводятся результаты экспериментального обнаружения и исследования механизма стимулирования пробоя барьера Шоттки на кремнии, фотовозбужденного в сильных электрических полях при T = 4.2 K.

Исследовано влияние интенсивности фотовозбуждения, величины электрического поля, а также влияние времени их взаимной задержки на механизм пробоя барьера. На основе анализа результатов показано, что пробой барьера Шоттки связан с сужением ширины области пространственного заряда вследствие дрейфа экситонов в неоднородном электрическом поле и рекомбинации электронов на ионизированных примесных уровнях барьера.

Обратно смещенный барьер Шоттки теряет свою ди- рекомендации, приведенные в работах [1,2]. Равномерэлектрическую прочность вследствие лавинного пробоя ное фотовозбуждение носителей производилось со стопри ударной ионизации полупроводника или в результате роны грани 4.61.1, импульсами от источника монохротуннелирования электронов из металла в сильном элек- матического излучения на основе инфракрасных светодиSi трическом поле [1]. Механизмы и условия пробоя ба- одов из GaAs с энергией кванта 1.5 эВ>G. Длирьера Шоттки зависят не только от состава полупровод- тельность импульсов фотовозбуждения, равная 40 мкс, ника, его легированния, методов изготовления барьера, обеспечивала установление стационарного состояния но и от факторов внешнего воздействия (температуры, концентрации носителей и экситонов. Так как сечение давления, магнитного поля и т. д.). В полупроводнике с образования экситонов весьма велико, основная часть низкой концентрацией примесей при обратном смещенеравновесных электронно-дырочных пар при T = 4.2 K нии носители тока обусловлены в основном генерацией связывается в экситоны. Максимальная интенсивность электронно-дырочных пар в области пространственного фотовозбуждения соответствовала концентрации генеризаряда (ОПЗ). Причем доля генерационного тока станоруемых электронно-дырочных пар 5 · 1014 см3. Расвится определяющей при низких температурах, так как пределение экситонов в образце предполагалось одноуменьшается термоэмиссионная составляющая туннельродным, так как в силу большого коэффициента диффуного тока [1].

зии электронно-дырочные пары, генерируемые в тонком В данной работе приводятся результаты экспериприповерхностном слое, заполняют образец за время ментального исследования механизма стимулирования 10-6 с. Синхронно с импульсами фотовозбуждения пробоя барьера Шоттки и возникновения неоднороднона образец подавались импульсы постоянного электриго распределения тока в системе электронно-дырочная ческого поля с длительностью до 150 мкс, которые заплазма (ЭДП)–экситоны в кремнии в сильных электридерживались относительно импульсов фотовозбуждения ческих полях при T = 4.2 K. Исследования проводились на образцах n-Si P с концентрацией примесей ND-NA 8·1012 см-3, изготовленных в виде прямоугольных параллелепипедов с размерами 4.61.10.8 мми с кристаллографическим направлением [111] вдоль длинного ребра образца. Схема проведения эксперимента, конфигурация воздействия электрического поля и фотовозбуждения относительно кристаллографических осей образца показаны на рис. 1. Образец и источник фотовозбуждения находились непосредственно в жидком гелии, что исключало попадание фонового излучения извне.

Для создания контактов с барьерами Шоттки на противоположные грани с размерами 1.10.8 мм2 методов вакуумного напыления наносился Au или Sn. Образцы после напыления, с целью улучшения электрофизических свойств контактов и повышения их стабильности, Рис. 1. Схема эксперимента и кристаллографическая ориенподвергались температурной обработке в вакууме. При тация образца: 1 —образец, 2 — источник фотовозбуждения изготовлении контактов соблюдались технологические (GaAs-светодиод), 3 — нагрузочное сопротивление.

Пробой барьера Шоттки в Si, стимулированный дрейфом экситонов... Ip, так и от времени задержки импульса электрического поля E относительно импульса фотовозбуждения. С уменьшением интенсивности фотовозбуждения и с увеличением времени задержки E пороговое поле пробоя увеличивается. На динамической ВАХ наблюдаются как S-образные, так и N-образные участки отрицательного дифференциального сопротивления.

Дл объяснения результатов эксперимента необходимо рассмотреть физические процессы в обратно смещенном и прямо смещенном барьерах Шоттки. На рис. 5 схематически показаны зонная диаграмма образца с барьерами Шоттки при приложении внешнего электрического поля (a), а также распределение электрического поля на обратной смещенном барьере в различные моменты воздействия поля (b).

Пары носителей, генерируемые в ОПЗ, разделяются под воздействием поля барьера, образованного изгибом зон в полупроводнике. При этом основная часть электронов вследствие дрейфа и диффузии уходит в объем полупроводника, а дырки — в металл. Кроме того, часть фотовозбужденных электронов рекомбинируется на ионизированных примесях в ОПЗ.

Рис. 2. Осциллограммы тока через образец при E = 800 В/см В объеме полупроводника, легированного мелкими и интенсивности фотовозбуждения Ip = 0.8 отн. ед., когда примесями в области концентраций 10121016 см-3, при время задержки импульса электрического поля относительно низких температурах и низких уровнях фотовозбуждения импульса фотовозбуждения E = 10 мкс (a), E = 200 мкс (b).

на 01.0 мс. Частота подачи импульсов 3 Гц, обеспечивала установление температуры образца 4.2 K к началу каждого импульса.

На рис. 2 показаны осциллограммы тока через образец для различных времен задержки импульса электрического поля относительно импульса фотовозбуждения при E = const, Ip = const.

Как видно из осциллограмм, после подачи импульса электрического поля с некоторой задержкой появляется импульс тока проводимости. Время задержки импульса Рис. 3. Зависимость времени задержки пробоя B от времени B уменьшается с увеличением напряженности элекзадержки подачи импульса электрического поля E при интентрического поля. Характерной особенностью временной сивности фотовозбуждения Ip = 0.8 отн. ед. и электрическом зависимости проводимости при E = 0 является появле поле E = 800 В/см.

ние первичного одиночного пика тока с последующим появлением одного из следующих типов колебаний: одиночных импульсов, релаксационных, хаотических. При одновременной подаче импульсов фотовозбуждения и электрического поля временная задержка между пиком и последующими колебаниями отсутствует.

На рис. 3 показана зависимость времени задержки пробоя B от времени задержки подачи импульсов электрического поля E относительно импульсов фотовозбуждения при E = const и Ip = const.

На рис. 4 показана типичная вольт-амперная характеристики (ВАХ) (ток по длительности импульса усреднен), полученная на прямоугольных импульсах длительностью 10 мкс при времени задержки подачи импульса электрического поля E = 10 мкс. Пороговое поле проРис. 4. Вольт-амперная характеристика образца при боя EB зависит как от интенсивности фотовозбуждения T = 4.2 K. EB — пороговое электрическое поле пробоя.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 726 А.М. Мусаев схематически показано распределение поля в начальный момент воздействия электрического поля E0 (сплошная линия).

Наиболее вероятным механизмом, объясняющим результаты эксперимента, можно считать явление, связанное с сужением ширины обратно смещенной ОПЗ до значения, при котором данное электрическое поле окажется критическим для возникновения межзонной ударной ионизации. На рис. 5, b показано распределение электрического поля в момент его критической величины EB, обусловленной сужением ОПЗ (штриховая линия). К сужению ОПЗ приводит дрейф свободных экситонов в неоднородном поле барьера, с последующей рекомбинацией электронов на примесных центрах в ОПЗ и выносом свободных дырок в металл.

В однородном полупроводнике без воздействия внешних сил пространственное распределение экситонов непосредственно определяется условиями возбуждения, диффузией и временами их рекомбинации. Воздействие внешних сил, возникающих, например, из-за градиентов давлений, магнитного поля, концентрации экситонов, а также давления света и фононного ветра, приводит к Рис. 5. Зонная диаграмма образца с барьерами Шоттки при приложении внешнего электрического поля (a) и распреде- дрейфу экситонов. В однородном электрическом поле ление электрического поля на обратно смещенном барьере экситоны, будучи электронейтральными, не могут дрей(b): начальный момент воздействия поля (сплошная линия), фовать, однако в неоднородном электрическом поле на момент сужения ОПЗ до критического значения (штриховая).

слабосвязанные электрон и дырку действует неодинаковая сила и поэтому их результирующая не равна нулю.

На экситоны действует сила, стремящаяся передвинуть их в область поля с большой напряженностью основная часть экситонов связывается на изолированных примесях. Между экситонами и свободными носителями F = e · l · dE/dx, на первые несколько микросекунд после возбуждающего импульса устанавливается динамическое равновесие:

где l — боровский радиус экситона, dE/dx — градиент свободные носители связываются в экситоны, экситоны электрического поля.

диссоциируют на свободные носители. Образование своВ кремнии экситоны связаны слабо и имеют больбодных носителей обусловлено не только диссоциацией шую пространственную протяженность. Боровскй радиус экситонов, но и их оже-рекомбинацией [3]. Это равноэкситона намного больше межатомных расстояний и весие определяет стандартную концентрацию экситонов составляет 49.

Nex и свободных носителей ne при заданной температуре.

В пользу дрейфа экситонов в ОПЗ с последующей реКонцентрации Nex и ne со временем уменьшаются вследкомбинацией электронов на ионизированных донорных ствие рекомбинации, однако равновесие между ними примесях свидетельствуют также следующие эксперисохраняется в течение длительного времени. По данментальные факты:

ным эксперимента, время жизни свободных экситонов – увеличение концентрации экситонов в базовой облав Si составляет 0.260 мкс, а связанных экситонов сти образца приводит к уменьшению напряжения пробоя 300 мкс [4,5].

и времени задержки пробоя;

При температурах, достаточных для термогенерации – зондовые измерения, проведенные при слабом фотоносителей с примесных уровней, подача обратного на- возбуждении носителей, показывают наличие высокопопряжения приводит к изменениям ширины обедненной левого домена на катоде образца;

области барьера, заряда внутри и вне ОПЗ, что об- – измерения тока с расчлененным катодным контактом условлено перемещением свободных электронов. При (в образцах с большой площадью барьера) показывают низких температурах приложенное обратное напряжение неоднородность пробоя по площади барьера, что хане расширяет ОПЗ, а только изменяет зарядовое состо- рактерно для микроплазменного пробоя с локализацией яние барьера. В условиях фотовозбуждения электронно- тока на отдельных участках с малым поперечным сечедырочных пар и установления динамического равновесия нием [6];

между экситонами и свободными носителями в базовой – эксперимент со сдвоенными импульсами показывает, области образца приложенное электрическое поле ло- что с увеличением температуры кристаллической решеткализуется на обратно смещенном барьере. На рис. 5, b ки времена задержки пробоя B уменьшаются.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Пробой барьера Шоттки в Si, стимулированный дрейфом экситонов... Времена задержки пробоя B соответствуют временам Schottky barrier breakdown stimulated in сужения барьера и обусловлены дрейфом экситонов в Si by exciton drift under inhomogeneous ОПЗ и их диффузией в базовой области. Приведенная electric field at 4.2 K зависимость B(E) качественно подтверждает то, что A.M. Musaev уменьшение концентрации экситонов в базовой области приводит к увеличению времени сужения барьера. УвеInstitute of Physics, Daghestan Scientific Center, личение концентрации носителей в ОПЗ при ударной Russian Academy of Sciences, ионизации приводит к перераспределению напряжения 367003 Makhachkala, Russia между ОПЗ и базой образца, что соответственно приводит к ударной ионизации экситонов. Подтверждени

Abstract

Experimental study of the mechanism of the Schottky ем ионизации экситонов в электрическом поле являbarrier breakdown stimulation in photoexcited silicon under the ется то, что концентрация носителей тока при полstrong electric field at 4.2 K is presented.

ной ионизации существенно превосходит концентрацию The effect of photoexcitation intensity and the intensity of примесных центров в образце. Причем концентрация the electric field applied, as well as the influence of their time ионизированных носителей зависит от интенсивности ag on breakdown mechanism were studied. It is shown that фотовозбуждения. При определении концентрации носиSchottky barrier breakdown occurs due to the narrowing of the телей тока использовалась известная величина подвижspatial charged region caused by the exciton drift under the ности электронов и дырок в слабом электрическом поле inhomogeneous electric field and electron recombination at the µn µp = 5 · 105 см2/В · с при 4.2 K. Приложение barrier ionized impurity levels.

электрического поля до 1000 В/см без фотовозбуждения не приводило к ионизации мелких примесных центров в образце, что объясняется большой величиной энергии ионизации примесей фосфора в кремнии, которая при T = 4.2 K составляет 39 мэВ. Энергия связи экситонов, измеренная по спектрам поглощения и излучения, расположена в диапазоне ex 1014 мэВ.

Следует отметить, что при ударной ионизации экситонов не наблюдается характерного для примесного пробоя порогового поля и резкого роста концентрации.

Исследование механизма неустойчивости тока показывает, что обнаруженный механизм пробоя барьера Шоттки является источником возникновения сильнонеравновесного состояния в системе ЭДП–экситоны в сильном электрическом поле, приводящем к колебаниям плотности ЭДП периодического или стохастического типа.

Список литературы [1] Э.Х. Родерик. Контакты металл–полупроводник (М., Радио и связь, 1982).

[2] В.И. Стриха, Е.В. Бузанева, И.А. Радзиевский. Полупроводниковые приборы с барьером Шоттки (М., Сов. радио, 1974).

[3] Б.М. Ашкинадзе, Ф.К. Султанов. Письма ЖЭТФ, 16, (1972).

[4] R.B. Hamond, R.N. Silver. Appl. Phys. Lett., 36, 68 (1980).

[5] W. Schmid. Phys. St. Sol. (b), 84, 529 (1977).

[6] З.С. Грибников. ФТТ, 11, 2111 (1977).




© 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.