WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 7 Исследование электронно-дырочного рассеяния в p-кремнии при низком уровне инжекции носителей заряда © Т.Т. Мнацаканов, Л.И. Поморцева, В.Б. Шуман Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Всероссийский электротехнический институт им. В.И. Ленина, 111250 Москва, Россия (Получена 11 ноября 1996 г. Принята к печати 14 ноября 1996 г.) С помощью предложенного ранее метода для определения параметров электронно-дырочного рассеяния в непрямозонных полупроводниках проведено исследование образцов p-кремния. Для измерения использовались диодные n+-p-p+-структуры. Полученные результаты свидетельствуют о возможности полного увлечения основными дырками неосновных электронов в материале p-типа проводимости при уровне легирования N > 1018 см-3 уже при комнатной температуре.

1. Недавно в работе [1] был предложен метод ис- 2. Исследование основывалось на методе, предложенследования параметров, характеризующих электронно- ном и подробно описанном в [1]. Суть этого метода дырочное рассеяние (ЭДР) в непрямозонных полупро- заключается в измерении вольт-амперной характеристиводниках при низком уровне инжекции носителей заряда. ки (ВАХ) диодных образцов в специально выбранном диапазоне плотностей тока и определении подвижности Первое же применение этого метода для исследования µnp, определяемой ЭДР, с помощью следующих соотноЭДР в кремнии n-типа проводимости дало интересные результаты, свидетельствующие о возможности суще- шений.

В случае, когда уровень легирования не превышает ствования в образцах n-кремния с уровнем легирования характерной величины N0 = 1017 см-3, т. е. когда эффект N 1017 см-3 при комнатной температуре эффекта полного увлечения неосновных носителей заряда основ- сужения запрещенной зоны оказывается несущественным [7], формула, определяющая величину µnp, имеет ными, при котором подвижность неосновных носителей вид заряда меняет знак и становится отрицательной. Впервые µn существование эффекта полного увлечения неосновных µnp =, (1) A2 - носителей заряда основными было установлено экспегде A = ( j0)cal/( j0)exp, ( j0)cal = (qn2 /NA)(Dn/n)1/риментально в квантовых ячейках, изготовленных на i exp(Eg/kT ), ni0 — собственная концентрация носиоснове арсенида галлия [2,3], при уровне легирования телей заряда, q — элементарный заряд, NA — уровень образцов N 1017 см-3 и температуре T 90 K.

Сравнительная оценка влияния ЭДР на перенос но- легирования базового p-слоя, µn и Dn — подвижность и коэффициент диффузии основных электронов соотсителей заряда, приведенная в [4], показала, что в ветственно, а n — время жизни электронов в p-базе.

кремнии эффективность ЭДР оказывается примерно в Экспериментальная величина тока насыщения ( j0)exp 50 раз выше, чем в арсениде галлия. Результат, полуопределяется из измеренных ВАХ диодных образцов.

ченный в [1], находится в соответствии с приведенной Для случая более высоких уровней легирования, когда оценкой и свидетельствует о том, что эффект полностановится существенным эффект сужения запрещенной го увлечения неосновных носителей заряда основными зоны, соотношение для определения µnp принимает вид может оказывать заметное влияние на характеристики кремниевых структур. Согласно [5,6], инжекционная споµn µnp =, (2) собность p+-n-перехода может сильно измениться под B2 - влиянием ЭДР.

Обычно уровень легирования N 1017 см-3 реализуB = ( j0)cal/( j0)exp, ( j0)cal = (qni0/NA)(Dn/n)1/ется в эмиттерных слоях полупроводниковых структур.

exp(Eg/kT ), Eg — величина уменьшения ширины С этой точки зрения большой интерес представляет запрещенной зоны, а остальные обозначения те же, что исследование этого эффекта в p-кремнии, поскольку и в предыдущей формуле.

в большинстве кремниевых структур, изготавливаемых 3. Последовательность проведения измерений и расчеобычно на основе материала n-типа проводимости, эмит- тов была такой же, как и в работе [1]. Были изготовлетерные слои оказываются именно p-типа. Цель данно- ны n+-p-p+-структуры, основные параметры которых го сообщения заключается в исследовании параметров, приведены в таблице. Глубина диффузионных n+-слоев характеризующих ЭДР в p-кремнии при низком уров- не превышала 10 мкм.

не инжекции носителей заряда, и оценка возможности У каждой из этих структур измерялась ВАХ с помовозникновения эффекта полного увлечения неосновных щью стандартной методики. Для измерения выбиралась носителей заряда основными в этом материале. область плотностей тока, при которых в базовом слое 5 834 Т.Т. Мнацаканов, Л.И. Поморцева, В.Б. Шуман совершенство кремния, из которого были изготовлены №образца p, Ом · см Wp, мкм S, мм2 n, мкс образцы, и присутствие в них дополнительных уровней 1 0.385 ± 0.025 162 19.6 1.рекомбинации по сравнению с теми образцами, которые 2 0.100 ± 0.005 240 83.0 0.28 ± 0.используются другими авторами для определения n.

3 0.100 ± 0.005 270 83.0 0.28 ± 0.Тем не менее мы определили, к какому изменению 4 0.040 ± 0.002 146 37.4 0.10 ± 0.результатов приводит использование значений времен 5 0.043 ± 0.002 165 25.2 0.10 ± 0.жизни, известных из литературы. На рисунке два наиПримечание. Wp —толщина p-базы, p — удельное сопротивление, меньших значения µnp (точки 2, 3, 4 ) соответствуют S —площадь структуры, n — время жизни электронов.

образцам 2, 3 и образцу 4, но с временами жизни, соответствующими литературным значениям для соответствующего уровня легирования [10].

структуры реализовался низкий уровень инжекции неНа рисунке кроме экспериментальных результатов равновесных носителей заряда. Экспериментальная завиданной работы приведены две кривые. Кривая 1 — симость j от V аппроксимировалась выражением вида зависимость подвижности основных носителей заряда, дырок, µp от уровня легирования. Кривая 2 — результат qV - jpWp j =( j0)exp exp, (3) экстраполяции данных по µnp, полученных при высоком kT уровне легирования в [11,12], на случай низкого уровня где Wp — толщина p-базы, p — удельное сопроти- инжекции в соответствии с формулой, предложенной вление. Обработка экспериментальных точек ВАХ с в [13,14]:

помощью метода наименьших квадратов позволила опре1 1/pделить экспериментальное значение параметра ( j0)exp µnp = G p +, (4) p0 1 +(n+p)/2pдля формул (1) или (2). Затем с помощью приведенных выше формул определялось расчетное значение парагде G = 1840 см2/В · с, p0 = 3.2 · 1017 см-3, метра ( j0)cal. При расчетах использовались значения p1 = 3.5 · 1016 см-3, p2 = 4.6 · 1016 см-3.

величины Eg, полученные из измерений в работе [7], Видно, что экспериментальные значения µnp оказываа зависимость Dn от уровня легирования учитывалась в ются существенно меньшими, чем полученные экстрапосоответствии с работой [8]. Время жизни электронов n измерялось с помощью метода Лэкса [9]. Однако, учитывая сложность использования этого метода в сильно легированных образцах, мы принимали во внимание также значения n, приведенные в литературе [10]. Подробнее мы остановимся на этом при обсуждении результатов исследования.

4. На рисунке приведены экспериментальные точки, соответствующие указанным в таблице образцам, причем поле разброса точек на рисунке соответствует указанному в таблице разбросу параметров. Отметим, что данные по образцам 2 и 3 объединены и представлены на рисунке одной точкой.

Отдельного обсуждения заслуживает время жизни электронов в исследованных образцах. Значения n, приведенные в таблице, были получены с помощью метода Лэкса. Проблемы с использованием этого метода обычно возникают в сильно легированных слоях, когда время жизни становится существенно меньшим 1 мкс. Для образцов 2–5, в которых измеренное время жизни заметно меньше 1 мкс, времена жизни, приводимые в [10], оказываются существенно большими: n (4 6) мкс при NA = 5·1017 см-3, что соответствует образцам 2 и 3, Зависимость подвижности µnp от концентрации основных нои n (12) мкс при NA = 1018 см-3, что соответствует сителей заряда в p-кремнии. Точки: (1–5) — значения µnp образцам 4 и 5. Таким образом, ситуация с образцами pдля образцов 1–5 (см. таблицу) из нашего эксперимента;

типа проводимости оказывается совершенно иной, чем 2, 3, 4 — значения µnp для образцов 2, 3, 4, найденные с с образцами n-типа в [1], поскольку времена жизни использованием при расчете литературных значений n [10].

дырок, измеренные в n-образцах, оказались лежащими Кривые: a — подвижность основных носителей заряда, дырок, в интервале значений, встречающихся в литературе.

согласно данным работы [8]; b — значения µnp, полученные с Причиной малости значений времен жизни, полученных помощью экстраполяции данных работ [11,12] на случай низкоиз измерений в образцах 2–5, может быть недостаточное го уровня инжекции носителей заряда с помощью формулы (4).

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Исследование электронно-дырочного рассеяния в p-кремнии при низком уровне инжекции... ляцией. Однако сравнение экспериментальных значений Investigation of the electron–hole µnp с подвижностью основных дырок (кривая 1) показыscattering in p-silicon at low carrier вает, что условие µnp µp, определяющее возможность injection level полного увлечения неосновных электронов основными T.T. Mnatsakanov, L.I. Pomortseva, V.B. Shuman дырками [5], может быть выполненным только при NA > 1018 см-3. Полученное значение концентрации A.I. Ioffe Physicotechnical Institute, акцепторов примерно на порядок выше значения конценRussian Academy of Sciences, трации доноров в n-образцах, при которой оказывается 194021 St.Petersburg, Russia возможным полное увлечение неосновных электронов V.I. Lenin All–Russia Electrotechnical Institute, основными дырками [1]. Два фактора определили воз111250 Moskow, Russia растание порогового уровня легирования для эффекта полного увлечения в образцах p-типа проводимости. Во

Abstract

The formerly proposed method for determining the первых, найденные значения µnp оказались несколько electron–hole scattering in indirect-gap semiconductors was used большими, но близкими к верхним значениям подвижноfor investigation of p-silicon samples. The n+-p-p+ diode сти µpn, определенной в [1]. Во-вторых, эффект полного structures were used for measurements. The obtained results is an увлечения в материале n-типа проводимости определяevidence that total entrainment of minority electrons by majority ется неравенством µpn < µn, а поскольку µp < µn, holes is possible in p-type material at a doping level N > 1018 cm-то изначально следует ожидать, что проявление этого even at room temperature.

эффекта в p-кремнии может быть затруднено.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (коды проектов 95-0205767 и 96-02-17902а).

Список литературы [1] Т.Т. Мнацаканов, Л.И. Поморцева, В.Б. Шуман, Е.Г. Гук.

ФТП, 29, 1554 (1995) [Sov. Phys. Semicond., 29, (1995)].

[2] R.A. Hopfel, J. Shah, P.A. Wolff, A.C. Gossard. Phys. Rev.

Lett., 56, 2736 (1986).

[3] R.A. Hopfel, J. Shah, P.A. Wolff, A.C. Gossard. Appl. Phys.

Lett., 49, 572 (1986).

[4] Б.Н. Грессеров, Т.Т. Мнацаканов. ФТП, 24, 1668 (1990) [Phys. Techn. Semicond., 24, 1042 (1990)].

[5] T.T. Mnatsakanov, B.N. Gresserov, L.I. Pomortseva. Sol. St.

Electron., 38, 225 (1995).

[6] Б.Н. Грессеров, Т.Т. Мнацаканов. ЖТФ, 56, 1827 (1986) [J. Tech. Phys., 31, 1090 (1986)].

[7] J.B. Slotboom, H.C. de Graaff. Sol. St. Electron., 19, (1976).

[8] N.D. Arora, J.R. Hauser, D.J. Roulston. IEEE Trans. Electron.

Dev., 29, 292 (1982).

[9] D. Lax, S.T. Neustadter. J. Appl. Phys., 25, 1148 (1954).

[10] M.S. Tyagi, R. Van Overstraeten. Sol. St. Electron., 26, (1983).

[11] F. Dannhauser. Sol. St. Electron., 15, 1371 (1972).

[12] J.R. Krausse. Sol. St. Electron., 15, 1376 (1972).

[13] В.А. Кузьмин, Т.Т. Мнацаканов, В.Б. Шуман. Письма ЖТФ, 6, 689 (1980) [Lett. J. Techn. Phys., 6, 299 (1980)].

[14] T.T. Mnatsakanov, I.L. Rostovtsev, N.I. Philatov. Sol. St.

Electron., 30, 579 (1987).

Редактор Л.В. Шаронова 5 Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, №




© 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.