WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 9 Ударно-ионизационные автосолитоны в компенсированном кремнии ¶ © А.М. Мусаев Институт физики Дагестанского научного центра Российской академии наук, 367003 Махачкала, Россия (Получена 27 ноября 2003 г. Принята к печати 30 декабря 2003 г.) Приводятся результаты экспериментального обнаружения и исследования автосолитонов с самопроизводством носителей заряда при ударной ионизации глубоких акцепторных уровней индия в кремнии в сильных электрических полях при температуре 77 K. В рассматриваемой модели возбуждения автосолитонов роль активатора играет концентрация свободных носителей заряда, а роль ингибитора температура носителей. Существование автосолитонов определяется тем, что область высокой концентрации носителей в центре автосолитона не расплывается вследствие того, что диффузионный поток из центра автосолитона уравновешивается термодиффузионным.

В теоретических исследованиях [1] показано, что в фольги. Такие контакты исключают влияние переходактивной нелинейной системе с диффузией в области ных характеристик контактов на кинетику развития устойчивого однородного состояния можно внешним тока при генерационно-рекомбинационных процессах в возмущением возбудить пространственно-уединенные объеме образца [5]. Необходимым условием при этом диссипативные структуры — автосолитоны (АС). Авто- является < t, где, t — характерное время развисолитоны реализуются в едином (с точки зрения мате- тия генерационно-рекомбинационного процесса и время матического описания) классе активных систем с диф- пролета носителей тока через образец соответственно.

фузией, свойства которых определяются нелинейными С целью исключения поверхностных эффектов контакты на противоположные грани образца наносились с отдифференциальными уравнениями диффузионного типа.

ступлением от края на 0.25 мм. Изучение динамических Однако физические механизмы их образования довольно вольт-амперных характеристик (ВАХ) производилось разнообразны. Полупроводники и полупроводниковые структуры являются наиболее подходящими модель- путем приложения одиночных импульсов пилообразного напряжения в режиме генератора напряжения при ными системами с активной кинетической средой — различных скоростях роста напряжения. Для изучения неравновесной электронно-дырочной плазмой (ЭДП) — неустойчивости тока во времени на образец подавались для исследования кинетики образования и эволюции АС.

импульсы постоянного напряжения с длительностью Экспериментальное изучение ионизационных АС продо 50 мкс. Исследование неоднородности распределеведено в нескольких работах. В [2] показано, что ЭДП, полученная ударной ионизацией в пленках n-GaAs, расслаивается на шнуры тока в плотной ЭДП и на страты электрического поля в области неплотной ЭДП.

В [3] исследованы пичковые АС в кремниевых p-i-nструктурах, возбужденные локализованным импульсом света. В [4] изучены пульсирующие АС в кремнии с самопроизводством носителей заряда при ударной ионизации экситонов в сильном электрическом поле.

В данной работе приводятся результаты экспериментального обнаружения и исследования АС с самопроизводством носителей заряда при ударной ионизации глубоких акцепторных уровней индия (энергия ионизации h = 0.16 эВ) в кремнии в сильных электрических полях при температуре 77 K.

Исследования проводились на компенсированных образцах p-Si In с разностной концентрацией акцепторов и доноров NA - ND = 6.0 · 1012 см-3, изготовленных в виде прямоугольных пластин. Кристалографическая ориентация и схема подключения образца показаны на рис. 1. Антизапорные контакты (p+-p) создавались путем напыления алюминия с последующим его вплавлением или, иначе, вплавлением алюминиевой ¶ Рис. 1. Схема подключения и кристаллографическая ориентаE-mail: akhmed-musaev@yandex.ru Fax: (8722) 628900 ция образца. (R1 - R6) — нагрузочные сопротивления.

Ударно-ионизационные автосолитоны в компенсированном кремнии ния плотности тока по сечению образца проводилось Скорость захвата свободных дырок имеет вид посредством секционирования катодного контакта, как R = phvthNc, (4) показано на рис. 1.

При низких температурах в кремнии с глубокими где h — сечение захвата, vth =(2kT0/m)1/2 —теплопримесными уровнями основным механизмом, привовая скорость дырок, Nc — концентрация ионизованных дящим к увеличению проводимости образца в сильпримесей. Сечение захвата дырки (h) на ионизованный ных электрических полях, является ударная ионизация, атом индия при 77 K равно 7 · 10-14 см2 и уменьшается возникающая при напряженностях электрических полей с ростом температуры. В сильных электрических по103-104 В/см [5]. Кроме ударной ионизации существуют лях сечение захвата уменьшается благодаря действию еще несколько механизмов, которые могут привести к двух различных факторов. Во-первых, увеличивается увеличению концентрации носителей заряда с ростом средняя энергия носителей (T > T0) и соответственно электрического поля: это инжекция неосновных носиуменьшается число частиц у дна зоны проводимости, телей заряда, а также инжекция основных носителей в которое непосредственно определяет захват. Во-вторых, случае тока, ограниченного объемным зарядом. Сущев сильных электрических полях разрушаются связанные ственным фактором является также увеличение конценсостояния с энергией связи, меньшей энергии примеснотрации дырок при термополевой генерации носителей го центра h [6].

заряда, которая с ростом электрического поля увеличиОсновным механизмом увеличения концентрации вается (в результате эффекта Пула–Френкеля). При этом основных носителей при этом является ударная иониэлектрическое поле изменяет высоту максимального зация примесей. На рис. 2 показана типичная динаэнергетического барьера на величину мическая ВАХ J(E) образца, полученная при скорости роста пилоообразного напряжения 50 В/мкс. Харак = -e(eE/)1/2, (1) терной особенностью наблюдаемой ВАХ является то, что в процессе увеличения напряжения образование где E — напряженность электрического поля, — пичкообразных участков тока происходит пороговым диэлектрическая проницаемость кремния, e — заряд образом. С ростом электрического поля число пиков электрона. Зависимость скорости термополевой генератока в системе возрастает. Исследование ВАХ различции от электрического поля является экспоненциальной ных участков I, II, V образца (при секционировании функцией величины /kT, которая в рассматриваемом катодного контакта — см. рис. 1), приведенных на рис. 3, случае притягивающего центра имеет вид [5] показало, что пики с пороговым характером роста тока принадлежат различным участкам образца, причем эти /kT = -0.84(E/104)1/2(300 K/T0), (2) пики в значительной степени подобны по форме и электрическим характеристикам. При уменьшении скорости где T0 — температура решетки, k — постоянная Больцроста пилообразного напряжения ВАХ образца постемана.

пенно видоизменяется. При этом напряжение ионизации Анализ характера увеличения концентрации носипримесей уменьшается, а зависимость J(E) имеет не телей заряда от электрического поля при различных столь резкий характер, что объясняется джоулевым разоскоростях его роста показывает, что эффект Пула– гревом решетки и термополевой ионизацией примесей, Френкеля при увеличении напряжения со скоростью не т. е. с увеличением температуры решетки режим ударной менее 40 В/мкс не играет существенной роли. Это связаионизации переходит в режим термополевой ионизации.

но с тем, что в адиабатических условиях температура Действием данного фактора можно объяснить и осообразца за короткое время не успевает существенно увеличиться. В то же время с увеличением выделяемой джоулевой мощности роль данного эффекта возрастает.

Концентрация свободных носителей при напряженностях электрического поля, достаточных для эффективной ударной ионизации, определяется из условий баланса между скоростями захвата, ударной ионизации и термополевой генерации.

Скорость ударной ионизации определяется как G = p(p/p)ivNg, (3) где p/p — доля свободных дырок с энергией больше глубины залегания примесей, v — скорость, соотРис. 2. Динамическая вольт-амперная характеристика образца.

ветствующая глубине залегания примесей, (2h/m)1/2, Штриховые кривые — обратный ход ВАХ при различных знаNg — концентрация неионизованных примесей, i — чениях приложенного пилообразного напряжения; 1–3 —точсечение ударной ионизации. ки возврата.

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 1032 А.М. Мусаев На рис. 4 показано изменение тока J во времени t при подаче на образец импульсов электрического поля E(t) с амплитудой, достаточной для ионизации примесей. Как видно из осциллограммы, при напряженности электрического поля, превышающей поле ударной ионизации, изменение тока через образец приобретает пикообразный характер, где спад тока связан с уменьшением подвижности носителей, обусловленным рассеянием дырок на фононах при джоулевом разогреве области ионизации образца. В кремнии при температурах выше 77 K и воздействии электрического поля доминирующим является рассеяние носителей на деформационном акустическом и оптическом потенциалах, и подвижность уменьшается с ростом поля. Это подтверждают и зависимости проводимости образца от температуры при различных Рис. 3. Динамические вольт-амперные характеристики участзначениях приложенного электрического поля.

ков I, II, V образца с расщепленным катодным контактом.

Полученные результаты позволяют непротиворечиво интерпретировать обнаруженные явления на базе модели статического продольного АС с локальным самопроизводством носителей заряда, развитой в работе [1].

Затравками для спонтанного возбуждения АС могут быть как неоднородности распределения концентрации примесей, так и неоднородности другого характера, приводящие к ударной ионизации в локальных областях с размером X. Устойчивость существования АС связана с процессами рассеяния носителей заряда на ионизованных примесях (так как расстояние между примесными центрами намного меньше поперечного размера АС) и фононах в области АС с размером X.

В рассматриваемом механизме расслоения роль активатора играет концентрация свободных носителей заряда (p), а роль ингибитора температура носителей.

Положительная обратная связь по активатору связана с возрастающей зависимостью скорости ионизации глубоких примесных уровней от концентрации дырок, так как скорость ионизации является резко возрастающей функцией концентрации носителей заряда. Демпфирующая роль ингибитора связана с уменьшением температуры носителей заряда при их рассеянии на ионизованных Рис. 4. Осциллограмма тока через образец при E = 5 кВ/см.

примесях и фононах, что ограничивает скорость ударной ионизации. При этом рост температуры в областях АС решетки приводит к еще большему уменьшению энергии бенности ВАХ при обратном изменении напряжения, носителей.

т. е. гистерезисное явление при спаде напряженности Распределения концентрации и потока энергии носиэлектрического поля. На рис. 2 показан гистерезис ВАХ телей в АС данной системы описываются выражениями при приложении пилообразных импульсов напряжения с различной амплитудой. Результаты измерений пока p/t = e-1divJh + G + GT - R, (5) зывают, что чем больше мощность потерь в области ионизации, тем при меньших напряжениях происхо(pT )/t = -divJ + W + P, (6) дит падение концентрации дырок. Роль эффекта Пула– Jh = epvh - eDhN, J = --2EJh/e, Френкеля при напряженостях электрических полей, не превышающих поле ударной ионизации, существенна, но W = 0(T /T0)1/2E2, P = pT(T - T0)/T, все же не очень велика. Как показано в работе [7], при низких температурах в кремнии, легированном индием, где Jh, J, W, P — плотность тока дырок, поток энергии концентрация дырок при увеличении напряженности дырок, плотность мощности, поступающей к системе электрического поля от 102 до 4 · 103 В/см возрастает носителей тока, и мощность, отводимая от системы в не более чем в 3 раза. решетку; p, T — концентрация и температура носителей Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Ударно-ионизационные автосолитоны в компенсированном кремнии заряда; E, T0, Dh, vh, 0, — напряженность электрического поля, температура решетки, коэффициент диффузии дырок, дрейфовая скорость дырок, проводимость и время релаксации энергии дырок соответственно.

В данной модели бифуркационным параметром является напряженность электрического поля, = p/T 1, а отношение = Lp/L в зависимости от параметров системы может быть как больше, так и меньше единицы.

Здесь p, Lp — характерные время и длина изменения концентрации и T, LT — характерные время и длина изменения средней температуры носителей заряда.

Наблюдаемые на временных характеристиках (рис. 4) значения времени формирования пикообразных областей тока, обусловленные локальной ударной ионизацией, определяемые временем установления теплового равновесия при адиабатическом разогреве области АС размером X, позволяют оценить характерный размер АС. Параметры области разогрева можно выразить в виде X2/ [8], где — температуропроводность кремния. Принимая = 1.0мкс и = 0.238 см2/с (что соответствует коэффициенту теплопроводности 0.2кал/см · с · град, плотности 2.32 г/см3, и удельной теплоемкости 0.181 кал/г · град), получимX 7мкм.

Работа выполнена при поддержке проекта РФФИ № 02-02-17888.

Список литературы [1] Б.С. Кернер, В.В. Осипов. Автосолитоны (М., Наука, 1991).

[2] Б.С. Кернер, В.Ф. Синкевич. Письма ЖЭТФ, 36 (10), (1982).

[3] В.Н. Ващенко, Б.С. Кернер, В.В. Осипов, В.Ф. Синкевич.

ФТП, 24, 1705 (1990).

[4] А.М. Мусаев. ФТП, 33, 1183 (1999).

[5] А. Милнс. Примеси с глубокими уровнями в полупроводниках (М., Мир, 1977).

[6] Э.Э. Годик, Ю.А. Курицын, В.П. Синис. ФТП, 12, (1978).

[7] A.E. McCombs. Int. J. Electron., 32, 361 (1972).

[8] Г. Карслоу, Д. Егер. Теплопроводность твердых тел (М., Наука, 1964).




© 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.