WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 9 Влияние стационарных процессов ионизации ловушек вблизи середины запрещенной зоны на спектр термостимулированной емкости полупроводниковых приборов © С.В. Булярский, А.В. Жуков¶, О.С. Светухина, О.А. Трифонов Ульяновский государственный университет, 432970 Ульяновск, Россия (Получена 25 октября 2005 г. Принята к печати 20 января 2006 г.) Предложен алгоритм расчета параметров глубоких центров в области пространственного заряда полупроводниковых приборов из анализа кривых термостимулированной емкости при наличии центров рекомбинации, лежащих у середины запрещенной зоны. Выполнена апробация метода на промышленных GaAs-светоизлучающих диодах АЛ-107. Результаты расчета параметров глубоких центров в исследуемых материалах соответствовали результатам других методов анализа.

PACS: 85.60.Jb; 72.20.Jv; 78.30.Fi 1. Введение согласно [3,4], 2 Распространенным методом определения параметров C T Et 1 1 = A exp глубоких центров в области пространственного заряT Tm k Tm T да (ОПЗ) полупроводниковых приборов является метод 2 термостимулированной емкости (TCE) [1–5]. Однако T Et 1 1 exp 1 - exp -, (1) алгоритм метода не всегда применим для анализа осоTm k Tm T бенностей электронного спектра глубоких центров в случае наличия в ОПЗ полупроводниковых приборов где Et — энергия термической эмиссии электрона с лоуровней рекомбинации у середины запрещенной зоны.

вушки, Tm — температура, соответствующая максимуму В работе предложен алгоритм расчета параметров полосы производной нестационарной емкости, обусловцентров захвата и рекомбинации в ОПЗ, путем выделенной ионизацией ловушки Et, дал оценочные значения ления нестационарной составляющей из кривой термоэнергий глубоких уровней: 0.48 ± 0.15, 0.12 ± 0.05 и стимулированного изменения емкости ОПЗ полупровод0.07 ± 0.05 эВ.

никовых приборов.

Высокая погрешность, а также неоднозначность реВ качестве материала для апробации выбраны прозультата, связанные с трудностями разделения кривой, мышленные GaAs-светоизлучающие диоды АЛ-107.

не позволили принять такие параметры. Кроме этого, Измерены спектры TCE образцов в интервале темполученные результаты даже в диапазоне погрешности ператур от 160 до 360 K при различных скорoстях противоречили практике термостимулированных изменагрева в интервале от 0.05 до 0.4 K/с. По оценкам [5], рений, в соответствии с которой и на основании оцеинтервал температур характерен для анализа глубоких уровней с энергиями в интервале от 0.15 до 0.80 эВ.

Измерения проводились на автоматизированной установке, использующей резонансный измеритель емкости на основе частотометра Ч4-34. Получаемые результаты были стабильны и хорошо воспроизводимы. На рис. (кривая 1) приведена характерная зависимость производной термостимулированной емкости от температуры (при нагревании), измеренная на одном из образцов из группы. Экспериментально показано, что вид кривой не зависит от первоначального заполнения ловушек в ОПЗ и скорости нагрева в интервале 0.05 до 0.2 K/с (при скоростях нагрева более 0.2 K/с форма кривой искажается, что может быть вызвано рядом факторов, в том числе неоднородным нагревом образца).

Предварительный анализ рис. 1, опирающийся на разделение экспериментальной кривой TCE на составляюРис. 1. Кинетика производной термостимулированной емкощие нестационарных термостимулированных процессов, сти диода АЛ-107, измеренной при нагревании (1) и охлажде¶ E-mail: ZhukovAV@ulsu.ru нии (2).

1134 С.В. Булярский, А.В. Жуков, О.С. Светухина, О.А. Трифонов ночного выражения [3,4] Анализируя температурное изменение емкости, можно найти параметры центров, обусловливающих наблюEt = kTm, (2) даемое явление. Для этого найдем производную степени заполнения:

где параметр = 0.12 K-1, в этих областях температур должны ионизоваться уровни с энергиями около 0.75, df A exp(-/kT)/kTt 0.45 и 0.25 эВ соответственно. =, (6) dT [1 + A exp(-/kT)]Приведенные особенности позволили предполагать, что исследуемый процесс не имеет чисто нестационар- где ный характер и обусловлен суперпозицией термостиму- cn mn 3/ = Eg - 2Et, A =.

лированной кинетики стационарной и нестационарной c mp p емкости.

Выражение (6) имеет максимум при температуре, связанной с параметром выражением 2. Характер стационарных процессов A( + 2kTmax) термостимулированной ионизации = kTmax ln. (7) - 2kTmax глубоких уровней в ОПЗ При условии выполнения соотношения 2kTmax полупроводниковых приборов выражение (7) упрощается:

Стационарное изменение емкости при изменении тем = kTmax ln A. (8) пературы, не зависящее от заполнения глубоких уровней в ОПЗ, может быть вызвано перезарядкой центров Подставляя величину A из уравнения (8) в (6), побыстрой рекомбинации, лежащих около середины запрелучаем удобное выражение для производной функции щенной зоны. Только такие центры могут со сравнимыми заполнения, которое в качестве подгоночного параметра скоростями обмениваться электронами с зоной проводисодержит только :

мости и дырками с валентной зоной.

Темп ионизации таких центров в отсутствии захвата в df y 1 t = ; y = exp -. (9) ОПЗ обратно смещенного диода может быть представdT 1 + y k Tmax T лен следующим кинетическим уравнением:

Это выражение удобно сопоставить с эксперименdnt том или использовать для моделирования эксперимен= -et nt + etp(Nt - nt), (3) n dt тальной стационарной термостимулированной емкости.

где nt — концентрация электронов на глубоком центре, Из (6) следует, что Nt — концентрация глубоких центров, et, etp —скороn df 1 2(Vd + U) d t сти эмиссии электрона в зону проводимости, дырки в = C2. (10) dT Nt qs dT валентную зону. Степень заполнения центров в стационарном случае:

Аппроксимируя последнее выражение функцией (9), можно определить глубину залегания глубокого уровня nt etp f = = t и концентрацию центров.

Nt et + etp n cn mn 3/2 Eg - 2Et -3. Моделирование смешанных = 1 + exp -, c mp kT p процессов термостимулированной ионизации. Определение et n 1 - f = t параметров глубоких уровней в ОПЗ et + etp n полупроводниковых приборов c mp 3/2 Eg - 2Et -p = 1 + exp. (4) Для экспериментальной проверки модели измерялась cn mn kT зависимость емкости образца от его температуры при Изменение степени заполнения глубоких центров приохлаждении (рис. 1, кривая 2). На рис. 2 представлена водит к изменению емкости. Барьерная емкость диода кривая производной от функции заполнения по темс глубокими центрами связана с их концентрацией пературе, рассчитанная по данным измерения емкости следующим соотношением [5]:

(сплошная линия). На этом же рисунке приведены результаты моделирования производной от функции заqS[Nm - Nt(1 - f )] t C =, (5) полнения по температуре выражением (9). Исходными 2(Vd ± U) данными для моделирования выбраны параметры глугде Nm — полная концентрация дефектов, Vd — диффу- бокой ловушки Et = 0.72 ± 0.05 эВ, обнаруженной в обзионный потенциал, U — напряжение смещения. разцах методом рекомбинационной спектроскопии [5] и Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Влияние стационарных процессов ионизации ловушек вблизи середины запрещенной зоны... Результаты исследований разными методами Et1 Et2 Et3 EtМетод термостимулированной Et, эВ 0.22 0.35 0.59 0.емкости Cn, см3/с 2.95 · 10-14 9.13 · 10-13 8.29 · 10-9 7.82 · 10-Метод рекомбинационной Et, эВ 0.35 0.50 0.59 0.спектроскопии Cn/C 4.1 · 102 157 93 p связанной с антиструктурным дефектом EL2 [6]. Макси- до 350 K в исследуемом материале обусловлено ионизамально близко описывает эксперимент модельная кривая цией центров быстрой рекомбинации с энергией глубос энергией Et = 0.720 эВ и значением cn/c = 27 (рис. 2, ких уровней Et = 0.720 эВ.

p кривая 2). Для подтверждения точности параметров Для дальнейшего анализа из первоначальной кривой аппроксимации на рис. 2 приведены результаты моделипроизводной емкости ОПЗ диодов (рис. 1, кривая 1) рования производной от функции заполнения ловушек выделена нестационарная составляющая вычитанием с Et = 0.710 эВ (кривая 1) и Et = 0.730 эВ (кривая 3) с стационарной (рис. 1, кривая 2). Результат вычитания тем же значением величины cn/c.

p приведен на рис. 3.

Таким образом, нестационарное изменение термостиПолученная кривая производной нестационарной TCE мулированной емкости в интервале температур от без существенных затруднений разделяется на составляющие (рис. 3), опираясь на выражение (1). Результат разложения представил собой 4 полосы, соответствующие уровням с глубинами залегания Et1 = 0.22, Et2 = 0.35, Et3 = 0.59 и Et4 = 0.72 эВ.

В соответствии с [6,7] центр Et1 = 0.22 эВ идентифицирован как комплекс, содержащий вакансию мышьяка и связанный с наличием кремния (ловушка EL8), Et2 = 0.35 эВ идентифицирован как ловушка EL6, центр Et3 = 0.59 эВ связан с атомами кислорода, Et4 = 0.72 эВ, как уже отмечалось, обусловлен ловушкой EL2.

В таблице приведены значения концентраций данных центров в исследуемых образцах и величины коэффициентов захвата. Для сравнения здесь же приведены параметры центров, рассчитанные методом рекомбинационной спектроскопии [5].

Рис. 2. Производная от функции заполнения по температуре, рассчитанная по данным измерения емкости (сплошная линия), результаты моделирования производной от функции заполнения по температуре выражением (9) (пунктирные 4. Заключение линии). Параметры указаны в тексте.

Таким образом, в работе предложен алгоритм расчета параметров глубоких центров в ОПЗ полупроводниковых приборов из анализа кривых термостимулированной емкости при наличии центров рекомбинации, лежащих у середины запрещенной зоны. Выполнено моделирование стационарной составляющей термостимулированной емкости. Результаты моделирования хорошо согласуются с экспериментальной зависимостью стационарной термостимулированной емкости, вызванной перезарядкой глубокого центра Et = 0.720 эВ в ОПЗ GaAs-светоизлучающих диодов АЛ-107. Выделена нестационарная составляющая кривой производной емкости ОПЗ исследуемых диодов. Результаты расчета параметров глубоких центров в исследуемых материалах с применением предлагаемого алгоритма удовлетворительно соответствуют Рис. 3. Нестационарная составляющая производной емкости результатам метода рекомбинационной спектроскопии.

ОПЗ диода АЛ-107.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 1136 С.В. Булярский, А.В. Жуков, О.С. Светухина, О.А. Трифонов Список литературы [1] M.G. Buchler. Sol. St. Electron., 69, 193 (1972).

[2] С.В. Булярский, С.И. Радауцан. ФТП, 15, 1433 (1981).

[3] С.В. Булярский, Н.С. Грушко, Г.С. Кортченко, И.П. Молодян. Деп. ВИНИТИ. № 6668-73 (1973).

[4] Е.В. Вертопрахо, Г.С. Сальман. Термостимулированные процессы в полупроводниках (М., Наука, 1972).

[5] С.В. Булярский, Н.С. Грушко. Генерационно-рекомбинационные процессы в активных элементах (М., МГУ, 1995).

[6] G. Martin, S. Makram-Ebeid. Phys. Rev. Lett., 54, 2 (1986).

[7] А. Милнс. Глубокие уровни в полупроводниках (М., Мир, 1978).

[8] О. Маделунг. Физика полупроводниковых соединений элементов III и V групп (М., Мир, 1967).

Редактор Л.В. Беляков Effect of stationary ionization processes at the centre of the bandgap on the thermo-induced capacitance of semiconductor devices S.V. Bulyarskiy, A.V. Zhukov, O.S. Svetukhina, O.A. Trifonov Ulyanovsk State University, 432970 Ulyanovsk, Russia

Abstract

An algorithm is proposed for the calculation of the deep centre parameters in the space-charge region of semiconductor devices based on the analysis of the curves of thermoinduced capacitance in the presence of recombination centres lying at the centre of the bandgap. A practical approval of the method proposed has been performed on industrial GaAs AL-LEDs. Results of the calculations of the deep centre parameters in the materials under study correspond to those obtained by other analysis techniques.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып.




© 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.