Вплив розмірних ефектів на електрофізичні властивості арсенідгалійових структур з глибокими центрами

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДНІПРОПЕТРОВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 539.216:537.311.33

ВПЛИВ РОЗМІРНИХ ЕФЕКТІВ НА ЕЛЕКТРОФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ АРСЕНІДГАЛІЙОВИХ СТРУКТУР З ГЛИБОКИМИ ЦЕНТРАМИ

01.04.07 - фізика твердого тіла

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

КОВАЛЕНКО ЮРІЙ АНАТОЛІЙОВИЧ

Дніпропетровськ 2000

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті технічної механіки Національної академії наук України і Національного космічного агентства України

Науковий керівник: кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник ГОРЄВ Микола Борисович, Інститут технічної механіки НАН України і НКА України, старший науковий співробітник, м. Дніпропетровськ

Офіційні опоненти:

д.ф.-м.н., проф., Кудзін Аркадій Юрійович, кафедра електрофізики фізичного факультету Дніпропетровського національного університету, професор м. Дніпропетровськ

д.ф.-м.н., с.н.с, Ямпольський Валерій Олександрович, відділ теорії твердого тіла Інституту радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАНУ, провід. наук. співр., м. Харків

Провідна установа: Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, м. Харків

Захист відбудеться ” 12 ” січня 2001 р. о ” 13.30 ” годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.051.02 при Дніпропетровському національному університеті за адресою: 49050, Дніпропетровськ, пров. Науковий, 13

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Дніпропетровського національного університету.

Автореферат розісланий ” 12 ” грудня 2000 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук І.М. Спиридонова

Размещено на http://www.allbest.ru/

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. В сучасному виробництві напівізолюючі арсенідгалійові підкладки одержують шляхом компенсації фонових донорів глибокими акцепторними центрами, використовуючи для цього, наприклад, домішку хрому. Причому, для одержання високих ізолюючих властивостей концентрацію глибокої домішки вибирають аж до межі розчинності (порядку 1017 см-3 для хрому). Завдяки такій високій концентрації глибоких центрів у тонкоплівкових арсенідгалійових структурах виникають своєрідні розмірні ефекти, пов'язані з тим що, товщина об'ємного заряду переходу плівка-підкладка стає порівняною з товщиною плівки. Такі розмірні ефекти, часом, приводять до якісних змін електрофізичних властивостей тонкоплівкових арсенідгалійових структур. Неурахування цих розмірних ефектів ставить під сумнів коректність трактування результатів вимірювань параметрів глибоких центрів, проведених за методиками, які розроблені для об'ємних матеріалів.

Особливого значення набувають прояви розмірних ефектів у арсенідгалійових структурах в сильних електричних полях, при яких працюють реальні електронні прилади. Внаслідок особливостей зонної структури в арсенідгалійових приладах в сильних електричних полях з'являються домени сильного поля, що приводить до виникнення потоків носіїв, нормальних до поверхні розділу. Такі носії, подолав бар'єр плівка-підкладка, можуть бути захоплені глибокими центрами підкладки. В тонкоплівкових структурах це обумовлює значну модуляцію ефективної товщини плівки об'ємним зарядом носіїв, захоплених на глибокі центри підкладки. Це приводить до ряду негативних явищ (розкид параметрів елементів по пластині, гістерезис вольт-амперних характеристик, довгочасовий дрейф параметрів пристроїв), які стримують широке використання арсеніду галію в промисловості. На цей час існує модель захоплення для двошарової структури плівка-підкладка. Ця модель описує захоплення з домену, локалізованого на прикатодній неоднорідності легування, і її не можна використовувати для структур польових транзисторів з бар'єром Шоткі, де домен сильного поля утворюється під затвором. Крім того, в сучасному виробництві все ширше використовуються тришарові структури плівка - буферній шар - підкладка, тому інтерес становить розробка моделі захоплення саме для таких структур.

Прикладом якісного прояву розмірних ефектів у арсенідгалійових структурах є поведінка домішкової фотопровідності структур плівка-підкладка в умовах зворотного керування (зворотне керування це зниження струму плівки при прикладенні негативної напруги до підкладки). Знак домішкової фотопровідності використовується для ідентифікації типу глибоких центрів на межі плівка-підкладка (позитивна фотопровідність відповідає електронним пасткам, негативна - пасткам діркового типу). Проте існуючі механізми домішкової фотопровідності не можуть пояснити експериментальні факти зміни знаку фотопровідності зі зміною напруги на підкладці. Відсутність коректного механізму, який відповідав би експерименту, й визначає науковий інтерес дослідження домішкової фотопровідності в умовах зворотного керування. Що стосується практичного значення, то результати такого дослідження можна використовувати, наприклад, для керування чутливістю фотоприймачів.

Таким чином, можна констатувати, що проблема дослідження властивостей тонкоплівкових арсенідгалійових структур з урахуванням розмірних ефектів, обумовлених наявністю глибоких центрів, відрізняється своєю нетривіальністю й маловивченістю. Слід відмітити практичну значимість такого дослідження для виробництва реальних електронних пристроїв та чітко виражену потребу в коректних методиках діагностики глибоких центрів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в відповідності до плану Національної академії наук України (проблема 1.12.7.10) і є складовою частиною науково-дослідних робіт, що проводяться у відділі функціональних елементів систем керування Інституту технічної механіки НАНУ та НКАУ за темою "Нелінійні ефекти в багатофункціональних арсенідгалійових пристроях керування та зв'язку" (тема № 210, номер держрегістрації 096V009383) та проектом Українського науково-технологічного центру (проект № 244). В науково-дослідних роботах інституту автор приймав участь в дослідженні домішкової фотопровідності арсідгалійових пристроїв. В рамках проекту УНТЦ автором розроблена методика й пристрій низькочастотної діагностики глибоких центрів.

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є розробка моделей тонкоплівкових структур GaAs, які ураховують вплив розмірних ефектів, обумовлених глибокими центрами захоплення.

Для досягнення указаної мети були поставлені такі задачі:

1. Отримати вирази, що зв'язують низькочастотну ємність бар'єру Шоткі з параметрами тришарової структури тонка плівка n-GaAs - буферний шар - напівізолююча компенсована підкладка.

2. Розробити модель захоплення вільних носіїв з плівки на незаповнені глибокі центри в буферному шарі та підкладці.

3. Розробити низькочастотну вольт-фарадну методику та пристрій для вимірювання параметрів глибоких центрів у тришарових тонкоплівкових структурах GaAs.

4. Отримати вирази, що зв'язують низькочастотну та високочастотну бар'єрну ємність з параметрами прямої гетероструктури AlxGa1-xAs/GaAs з селективним легуванням.

5. Дослідити поведінку домішкової фотопровідності тонкоплівкових структур GaAs в умовах зворотного керування.

Об'єкт дослідження - розмірні ефекти в тонкоплівкових арсенідгалійових структурах, обумовлені глибокими центрами.

Предмет дослідження - вплив розмірних ефектів на електрофізичні властивості тонкоплівкових арсенідгалійових структур.

При вирішенні кожної із перелічених вище задач використовувались такі методи дослідження: аналітичні - при отриманні виразів, що описують такі властивості арсенідгалійових структур як бар'єрна ємність, провідність та домішкова фотопровідність; числові методи - при моделюванні на ЕОМ вищезгаданих властивостей; експериментальні - при експериментальній перевірці отриманих виразів та розроблених числових моделей.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що в роботі вперше: плівка гетероструктура легування шар

1. Отримано вирази для низькочастотної бар'єрної ємності тришарової структури тонка плівка n-GaAs - буферний шар - напівізолююча компенсована підкладка. Виявлено аномальну ділянку вольт-фарадної залежності вищеназваної структури, де бар'єрна ємність росте зі зростанням запірної напруги. Показано, що фізичним механізмом утворення ділянки зростання бар'єрної ємності є ріст швидкості зміни об'ємного заряду бар'єра Шоткі з напругою, зумовлений початком спустошення глибоких центрів на межі плівка - буферний шар або на обох межах плівка - буферний шар та буферний шар - підкладка.

2. Запропоновано модель захоплення носіїв з плівки тонкоплівкової структури GaAs на незаповнені глибокі центри в буферному шарі та підкладці. За допомогою цієї моделі показано, що вплив глибоких центрів буферного шару та підкладки на електропровідність плівки можна оцінювати величиною, що виражається через низькочастотну бар'єрну ємність тонкоплівкової арсенідгалійової структури і являє собою ефективну концентрацію незаповнених глибоких центрів на межі плівка - буферний шар.

3. Отримано вирази для низькочастотної та високочастотної бар'єрної ємності прямої гетероструктури AlxGa1-xAs/GaAs з селективним легуванням, що містить глибокі центри захоплення. Виявлено аномальну зростаючу ділянку низькочастотної вольт-фарадної залежності прямої гетероструктури у випадку, коли глибокі центри локалізовані біля гетеромежі. Показано, що механізм появи ділянки росту ємності є таким самим, як і у вищезгаданої тришарової структури. Тобто, початок спустошення глибоких центрів приводить до зростання швидкості зміни об'ємного заряду бар'єра Шоткі з запірною напругою, що проявляється як ріст низькочастотної бар'єрної ємності. Це свідчить про універсальність механізму появи ділянки росту низькочастотної бар'єрної ємності напівпровідникових структур з глибокими центрами захоплення.

4. Розроблено числовий метод розрахунку домішкової фотопровідності тонкоплівкових структур GaAs в умовах зворотного керування. Виявлено новий механізм домішкової фотопровідності тонкоплівкових структур n-GaAs в умовах зворотного керування. Механізм базується на зміні порогової напруги зворотного керування внаслідок викликаного домішковим підсвічуванням перерозподілу електричного поля в підкладці між об'ємом підкладки й областю додаткових глибоких центрів поблизу межі з плівкою. Показано, що домішкова фотопровідність за цим механізмом є немонотонною функцією прикладеної до підкладки напруги і може міняти свій знак з позитивного на негативний, навіть якщо всі глибокі центри в підкладці є електронними пастками.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Розроблену низькочастотну вольт-фарадну методику вимірювання ефективної концентрації незаповнених глибоких центрів можна рекомендувати використовувати для відбракування пластин при експрес-діагностиці напівпровідникових матеріалів.

2. Розроблений пристій для вимірювання низькочастотної ємності напівпровідникових структур можна рекомендувати використовувати в технологічних циклах виготовлення та контролю матеріалів електронної промисловості. Ступінь готовності пристрою - діючий макет.

3. Аномальна поведінка низькочастотної бар'єрної ємності прямої гетероструктури AlxGa1-xAs/GaAs з селективним легуванням, виявлена в ході роботи, може бути використана для тестування електронних елементів на гетероструктурах.

4. Результати, отримані під час дослідження домішкової фотопровідності тонкоплівкових структур GaAs в умовах зворотного керування, можна використовувати для керування фоточутливістю пристроїв на тонкоплівкових структурах n-GaAs.

Особистий внесок здобувача полягає в отриманні виразів для моделі захоплення носіїв на глибокі центри і розрахунках за цією моделлю ([7]); розробці числового методу розрахунку домішкової фотопровідності в умовах зворотного керування і розрахунках за цим методом ([1, 6]); обробці експериментальних даних ([8, 11, 12-17]); участі в отриманні виразів для низькочастотної бар'єрної ємності тришарової структури GaAs ([2, 3]) та бар'єрної ємності гетероструктури ([4]); участі в розробці низькочастотної методики ([5]) і приладу для діагностики глибоких центрів ([9, 10, 13]); участі в узагальненні, аналізі та обговоренні результатів. Внески співавторів:

Прохорову Є.Ф. належать постановка задачі дисертаційної роботи, розрахунки низькочастотної бар'єрної ємності та формулювання методики діагностики глибоких центрів.

Горєву М.Б. належить узагальнення механізму росту ємності в напівпровідникових структурах з глибокими центрами, ідея механізму домішкової фотопровідності в умовах зворотного керування.

Коджеспіровій І.Ф. належить ідея двоімпульсної методики, участь в розробці моделі захоплення вільних носіїв на глибокі центри та експериментальні дані до робіт [1- 6, 11, 14, 16, 17].

Внесок інших співавторів полягає в участі в отриманні експериментальних результатів.

Апробація результатів дисертації. Основні результати та висновки роботи були представлені та обговорювалися на:

2nd International School-Conference on Physical Problems in Material Science of Semiconductors (Чернівці, Україна, 1997);

8-й Международной Крымской конференции “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии” (Севастополь, Україна, 1998);

5th International Conference on Solid-State and Integrated-Circuit Technology (Beijing, China, 1998);

1st International Conference on Advanced Materials and Processes for Microelectronics (San Jose, CA, USA, 1999);

IX Latin American Congress on Surface Science and its Applications (Havana, Cuba, 1999);

3rd International School-Conference on Physical Problems in Material Science of Semiconductors (Чернівці, Україна, 1999);

3rd International Conference on Low Dimensional Structures and Devices (Antalya, Turkey, 1999).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 6 статтях в наукових журналах, 1 статті в збірнику наукових праць, 10 матеріалах та тезах міжнародних конференцій, список яких наведено в кінці автореферату.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатка. Загальній об'єм роботи складає 127 сторінок, включаючи 25 рисунків та список використаних джерел із 95 найменувань.

Основний зміст дисертації

У вступі обгрунтовано актуальність теми, сформульовані мета та задачі роботи, відображено сучасний стан питання, приведено положення, що виносяться на захист, показана наукова новизна та практичне значення дисертаційної роботи.

В розділі 1 проведено дослідження низькочастотної бар'єрної ємності тришарової структури тонка плівка n-GaAs - буферний шар - напівізолююча компенсована підкладка з урахуванням змикання областей об'ємного заряду бар'єра Шоткі та переходів плівка - буферний шар та буферний шар - підкладка. Задача формулювалась таким чином: плівка містить тільки мілкі донори, буферний шар і підкладка - мілкі донори та глибокі електронні центри захоплення акцепторного типу. До бар'єрного контакту, розташованого на плівці, прикладається запірна напруга V відносно підкладки. Низькочастотна бар'єрна ємність структури була отримана диференціюванням електричного поля Eb(V) на межі метал - напівпровідник. Вираз для Eb(V) одержано рішенням системи диференційних рівнянь, яка описує дану структуру.

В підрозділі 1.2 наведено результати розрахунків низькочастотної вольт-фарадної залежності тришарових тонкоплівкових структур GaAs, проведені в широкому діапазоні параметрів структури. Ці розрахунки виявили наявність аномальної ділянки росту бар'єрної ємності з запірною напругою. Розрахунки ступеня заповнення глибоких центрів на межах шарів показали, що початок росту ємності добре корелює з початком спустошення глибоких центрів. Аналіз зміни об'ємних зарядів із запірною напругою на бар'єрі дозволив запропонувати такий фізичний механізм появи ділянки росту на низькочастотній вольт-фарадній залежності. Початок спустошення глибоких центрів на межі плівка - буферний шар або як на межі плівка - буферний шар, так і на межі буферний шар - підкладка приводить до зростання швидкості зміни об'ємного заряду бар'єра Шоткі із запірною напругою, що проявляється як ріст низькочастотної бар'єрної ємності. Коротко це можна пояснити так. Відомо, що низькочастотна бар'єрна ємність являє собою швидкість зміни об'ємного заряду бар'єра Шоткі із запірною напругою , де - заряд області збідніння бар'єра Шоткі. В ситуації ж, що розглядається, коли області об'ємного заряду бар'єра Шоткі та переходів на міжшарових межах зімкнені, швидкість зміни об'ємного заряду бар'єра Шоткі стає пов'язаною з швидкістю зміни об'ємних зарядів переходів на міжшарових межах. Області ж збагачення цих переходів утворені зарядами, зв'язаними на глибоких центрах. Коли ж глибокі центри починають спустошуватися, то на початковій стадії цього спустошення швидкість спустошення очевидно зростає з запірною напругою. Тому початок спустошення глибоких центрів у кінцевому рахунку приводить до збільшення швидкості зміни об'ємного заряду бар'єра Шоткі з запірною напругою, тобто до росту низькочастотної бар'єрної ємності. Треба відзначити, що за ріст низькочастотної бар'єрної ємності відповідає саме початок спустошення глибоких центрів, а не сам процес спустошення як такий. Іншими словами, якщо розподіл глибоких центрів у напівпровідниковій структурі є таким, що спустошення глибоких центрів з ростом запірної напруги має ненульовий поріг, тоді можна очікувати, що низькочастотна вольт-фарадна характеристика структури має зростаючу ділянку біля цієї порогової напруги.

Наведені в підрозділі 1.3 результати вимірювань, проведених як на стандартних польових транзисторах з бар'єром Шоткі (ПТШ), так і на тестових структурах GaAs, які були виготовлені на 6 пластинах (на двох низькоомна плівка та буферний шар були виготовлені методом молекулярної епітаксії, а на інших - газотранспортними методами), експериментально доводять наявність ділянки росту ємності. Вимірювання проводились за розробленою методикою та за допомогою розробленого пристрою, опис якого наведено в додатку.

Основна частина розділу 2 присвячена опису ефекту захоплення носіїв з підзатворного статичного домену в плівці на незаповнені глибокі центри буферного шару та підкладки в тришаровій тонкоплівковій арсенідгалійовій структурі типа ПТШ. Запропонована в цьому розділі модель ПТШ дозволяє розраховувати величину зменшення провідності плівки, обумовлену наявністю глибоких центрів захоплення, безпосередньо після зняття напруги, що утворювала підзатворний статичний домен. Розглядалась така модельна арсенідгалійова структура: тонка низькоомна плівка - буферний шар - напівізолююча підкладка. Плівка містила тільки мілкі донори, а буферний шар і підкладка - мілкі донори та глибокі центри захоплення. Структура мала на плівці два бокових омічних контакти (стік та витік) та розташований між ними на плівці бар'єрний контакт (затвор). До бар'єрного контакту прикладалась така запірна напруга, що області збідніння бар'єра та переходу плівка - буферний шар були зімкнуті. До омічних контактів прикладалась напруга, достатня для утворення домену.

Очевидно, що провідність плівки після зняття напруги, що викликала утворення статичного домену, визначається зв'язаним негативним зарядом у буферному шарі та підкладці при наявності домену. Двовимірну задачу визначення зв'язаного заряду зведено до двох одновимірних, які розв'язуються послідовно.

За допомогою розробленої моделі ПТШ було виконано розрахунки відносного зменшення провідності плівки, викликаного захопленням. Порівняння величини відносного зменшення провідності плівки з величиною , яка у випадку двошарових структур плівка - підкладка є концентрацією незаповнених глибоких центрів на межі плівка - підкладка, показало, що у випадку тришарових структур N являє собою ефективну концентрацію незаповнених глибоких центрів на межі плівка - буферний шар, яка є інтегральним показником впливу глибоких центрів як у буферному шарі, так і в підкладці на електропровідність плівки. Зокрема, вона визначає зменшення електропровідності внаслідок захоплення.

Результати експериментальної перевірки розробленої моделі захоплення та зроблених припущень щодо зв'язку між ефектами захоплення та ефективною концентрацією незаповнених глибоких центрів, наведено в підрозділі 2.3. Результати вимірювань величини зменшення провідності плівки внаслідок захоплення за двоімпульсною методикою та вимірювань ефективної концентрації незаповнених глибоких центрів за розробленою низькочастотною вольт-фарадною методикою не тільки якісно, але й кількісно узгоджуються з розрахунками.

В розділі 3 розглянуто низькочастотну та високочастотну вольт-фарадну характеристики прямої гетероструктури AlxGa1-xAs/GaAs з селективним легуванням з урахуванням розмірних ефектів, викликаних глибокими центрами захоплення. Шар GaAs структури, що досліджувалась, містив тільки мілкі акцептори, а шар AlxGa1-xAs містив як мілкі донори так і глибокі електронні центри донорного типу. Окремо розглядались два випадки - коли глибокі центри однорідно розподілені у шарі AlxGa1-xAs та коли глибокі центри локалізовані біля гетеромежі. До бар'єрного контакту на шарі AlxGa1-xAs прикладалась така запірна напруга, що області збідніння бар'єра Шоткі та гетеропереходу були зімкнуті.

Бар'єрну ємність структури одержано з рівняння Пуасона для шару AlxGa1-xAs, моделі, що описує шар GaAs, та умови неперервності потоку електричної індукції на гетеромежі. Для опису шару GaAs використовувалась модель, основана на наближенні трикутної потенційної ями, яка ураховувала повний енергетичний спектр двовимірного електронного газу.

В підрозділі 3.3 наведено результати розрахунків низькочастотної та високочастотної вольт-фарадної залежностей гетероструктури, проведених в широкому діапазоні параметрів. Ці розрахунки показали, що наявність глибоких центрів захоплення приводить до того, що високочастотна та низькочастотна вольт-фарадна залежності різняться одна від одної. Коли глибокі центри однорідно розподілені в об'ємі шару AlxGa1_xAs, вони різняться навіть при нульовій запірній напрузі на бар'єрі, та коли глибокі центри локалізовані на гетеромежі, є інтервал напруг, при яких високочастотна та низькочастотна вольт-фарадна залежності збігаються. Наявність глибоких центрів не приводить до якісних змін високочастотної C-V залежності в порівнянні з їх відсутністю. Це вірно також для низькочастотної C-V залежності у випадку, коли глибокі центри розподілені в об'ємі шару AlxGa1-xAs. У випадку ж, коли глибокі центри локалізовані на гетеромежі, їх наявність приводить до появи ділянки зростання на C-V залежності. Розрахунок ступеня заповнення глибоких центрів на гетеромежі показав, що ділянка росту бар'єрної ємності з запірною напругою з'являється з початком спустошення глибоких центрів.

Експериментальну перевірку проведено на стандартних польових транзисторах з високою рухливістю електронів: транзисторах виробництва Науково-виробничого об'єднання “Сатурн”, м. Київ, та транзисторах OKI KGF 1870. Результати вимірювань показали, що високочастотна та низькочастотна бар'єрна ємність дійсно поводять себе так, як передбачалось розрахунками.

Розділ 4 присвячено обговоренню нового механізму домішкової фотопровідності арсенідгалійової структури в умовах зворотного керування. В цьому розділі розглядається така напівпровідникова структура: низькоомна плівка GaAs, яка містить тільки мілкі донори, та напівізолююча підкладка, яка містить як мілкі донори так і компенсуючі їх глибокі центри захоплення. Крім того, підкладка містить додаткові глибокі центри захоплення, локалізовані поблизу межі з плівкою. Параметри цих додаткових центрів, зокрема перетин захоплення фотона, відрізняються від параметрів глибоких центрів в решті підкладки. До омічного контакту на підкладці прикладено негативну напругу. Така структура моделює реальні планарні структури GaAs, для яких, як відомо, процес вирощування плівки супроводжується появою додаткових глибоких центрів у підкладці поблизу межі з плівкою.

Домішкова фотопровідність тонкоплівкової структури GaAs в умовах зворотного керування розраховувалась за допомогою числового методу, який використовує особливі точки системи диференційних рівнянь, котра описує розподіл електричного поля і концентрації вільних носіїв в структурі. Розрахунки показали, що вплив зворотного керування на домішкову фотопровідність зводиться до двох випадків: а) зворотне керування підсилює позитивну фотопровідність; б) зворотне керування викликає зміну знаку фотопровідності з позитивного на негативний, причому в обох випадках абсолютна величина фотопровідності проходить через максимум, що значно перевищує фотопровідність у відсутності напруги на підкладці. Ці випадки ілюструються залежностями на рис. 1.

Зазначену поведінку домішкової фотопровідності в умовах зворотного керування можна пояснити у такий спосіб. Наявність додаткових глибоких центрів в підкладці поблизу межі з плівкою приводить до того, що концентрація вільних носіїв ns1 в цій частині підкладки нижче, ніж концентрація вільних носіїв в об'ємі підкладки ns, тобто підкладка стає неоднорідною відносно концентрації вільних носіїв і мірою цієї неоднорідності є відношення R = ns/ns1. Оскільки ці додаткові глибокі центри мають інший перетин захоплення фотона, ніж глибокі центри в об'ємі підкладки, величина R при наявності домішкового підсвічування (далі позначається як RI) відрізняється від величини R у відсутності підсвічування. Якщо RI < R, то домішкове підсвічування згладжує неоднорідність підкладки і електричне поле в підкладці перерозподіляється таким чином, що величина електричного поля поблизу межі з плівкою зменшується. Тому порогове поле зворотного керування досягається при більшій напрузі, ніж у відсутності підсвічування, тобто порогова напруга зворотного керування підвищується. Це означає, що при домішковому підсвічуванні струм в плівці починає падати при більшій напрузі на підкладці, ніж у відсутності підсвічування, що виявляється як значне збільшення позитивної фотопровідності в області напруг від порога зворотного керування у відсутності домішкового підсвічування до порога зворотного керування при його наявності. У випадку ж RI > R домішкове підсвічування приводить до збільшення неоднорідності підкладки відносно концентрації вільних носіїв. У цьому випадку при наявності домішкового підсвічування порогова напруга зворотного керування зменшується, тобто падіння струму плівки починається при меншій напрузі на підкладці, ніж у відсутності підсвічування, що приводить до переходу до негативної фотопровідності зі значним збільшенням абсолютної величини фотопровідності. Тобто, неоднорідність підкладки приводить до того, що домішкова фотопровідність стає немонотонною функцією прикладеної до підкладки напруги і може міняти знак з позитивного на негативний, навіть якщо всі глибокі центри в підкладці є електронними пастками.

Для експериментальної перевірки описаного вище механізму домішкової фотопровідності в умовах зворотного керування було проведено ряд вимірювань, результати яких наведено у підрозділі 4.4. Результати вимірювань якісно відповідають теоретично передбаченим.

У Висновках приведено основні результати дисертаційної роботи.

В додатку А приведено опис приладу для вимірювання низькочастотних вольт-фарадних характеристик напівпровідникових структур.

Основні результати та висновки

У дисертації вирішена проблема урахування впливу розмірних ефектів, обумовлених глибокими центрами захоплення, на електрофізичні властивості тонкоплівкових арсенідгалійових структур. Показано, що для таких величин як низькочастотна бар'єрна ємність і домішкова фотопровідність цей вплив приводить не тільки до кількісних, але й до якісних змін у їх поведінці. Оскільки бар'єрна ємність та домішкова фотопровідність використовуються для одержання інформації про глибокі центри, в прикладному плані, урахування вищевказаного впливу необхідно для коректної інтерпретації результатів вимірювань.

Головні наукові та практичні результати роботи є такими.

1. Розраховано низькочастотну вольт-фарадну залежність тришарової структури тонка плівка n-GaAs - буферний шар - напівізолююча компенсована підкладка з урахуванням змикання областей об'ємного заряду бар'єру Шоткі та переходів на міжшарових межах. Показано, що ця залежність має аномальну ділянку зростання бар'єрної ємності зі зростанням запірної напруги. Розглянуто фізичний механізм утворення ділянки зростання ємності. Показано, що причиною появи ділянки зростання ємності є ріст швидкості зміни об'ємного заряду бар'єра Шоткі з напругою, зумовлений початком спустошення глибоких пасток на межі плівка - буферний шар або на обох межах плівка - буферний шар та буферний шар - підкладка. Експериментально підтверджено наявність на низькочастотних С-V залежностях ділянки зростання.

2. Розроблено прилад для вимірювання вольт-фарадних характеристик напівпровідникових структур на низьких частотах, який можна рекомендувати використовувати в технологічних циклах виготовлення та контролю матеріалів електронної промисловості. Ступінь готовності пристрою - діючий макет.

3. Розроблено модель захоплення носіїв з плівки на незаповнені глибокі центри буферного шару та підкладки. З використанням цієї моделі показано, що є величина, яка виражається через низькочастотну бар'єрну ємність і являє собою ефективну концентрацію незаповнених глибоких центрів на межі плівка - буферний шар. Ця величина є інтегральним показником впливу глибоких центрів як буферного шару, так і підкладки на електропровідність плівки. Зокрема, вона визначає зменшення електропровідності внаслідок захоплення.

4. Розроблено низькочастотну вольт-фарадну методику вимірювання ефективної концентрації незаповнених глибоких центрів, яку можна рекомендувати використовувати для відбракування пластин при експрес-діагностиці напівпровідникових матеріалів.

За допомогою ряду вимірювань (вимірювання величини зменшення провідності плівки внаслідок захоплення за двоімпульсною методикою та вимірювання ефективної концентрації незаповнених глибоких центрів за розробленою низькочастотною вольт-фарадною методикою) експериментально підтверджено висновок про зв'язок між ефектами захоплення та ефективною концентрацією незаповнених глибоких центрів.

Теоретично та експериментально показано, що існує порогова ефективна концентрація незаповнених глибоких центрів (близько 1016 см-3), починаючи з якої проявляється помітне захоплення.

5. Отримано вирази для низькочастотної та високочастотної вольт-фарадної характеристики прямої гетероструктури AlxGa1-xAs/GaAs з селективним легуванням, що містить глибокі центри захоплення. Виявлено аномальну зростаючу ділянку низькочастотної вольт-фарадної залежності прямої гетероструктури у випадку, коли глибокі центри локалізовані біля гетеромежі. Показано, що як і у випадку тришарових структур плівка - буферний шар - підкладка, фізичним механізмом росту ємності з напругою є зростання швидкості зміни об'ємного заряду бар'єра Шоткі з початком спустошення глибоких центрів. Зроблено висновок, що цей механізм росту ємності є універсальним, тобто незалежно від конкретної структури, початок спустошення глибоких центрів приводить до зростання швидкості зміни об'ємного заряду бар'єра Шоткі з запірною напругою, що проявляється як ріст низькочастотної бар'єрної ємності.

6. Розроблено числовий метод розрахунку домішкової фотопровідності тонкоплівкових структур GaAs в умовах зворотного керування. Цей метод використовує особливі точки системи рівнянь, котра описує розподіл електричного поля і концентрації вільних носіїв в структурі.

7. Виявлено новий механізм домішкової фотопровідності тонкоплівкових структур n-GaAs в умовах зворотного керування. Механізм базується на зміні порогової напруги зворотного керування внаслідок викликаного домішковим підсвічуванням перерозподілу електричного поля в підкладці між об'ємом підкладки й областю додаткових глибоких центрів поблизу межі з плівкою. Теоретично та експериментально показано, що даний механізм може приводити до зміни знака домішкової фотопровідності з позитивного на негативний, навіть якщо всі глибокі центри в підкладці є електронними пастками. Домішкова фотопровідність за даним механізмом є немонотонною функцією прикладеної до підкладки напруги, а саме, абсолютна величина фотопровідності проходить через максимум, що набагато перевищує фотопровідність у відсутності напруги на підкладці.

Результати, отримані під час дослідження домішкової фотопровідності тонкоплівкових структур GaAs в умовах зворотного керування, можна використовувати для керування фоточутливістю пристроїв на тонкоплівкових структурах n-GaAs.

Список опублікованих праць

1. Effect of substrate inhomogeneity on extrinsic photoconductivity of n-type GaAs thin-film structures under backgating / S.A. Kostylev, E.F. Prokhorov, N.B. Gorev, I.F. Kodzhespirova, Yu.A. Kovalenko // Sol. State Electron. 1997. Vol.41, No 12. P.1923-1927.

2. Low-frequency capacitance-voltage characterization of deep levels in film - buffer layer - substrate GaAs structures / S.A. Kostylev, E.F. Prokhorov, N.B. Gorev, I.F. Kodzhespirova, Yu.A. Kovalenko // Sol. State Electron. 1999. Vol.43. No 1. P.169-176.

3. Низкочастотные вольт-фарадные характеристики трехслойных арсенидгаллиевых структур пленка - буферный слой - подложка / Н.Б. Горев, И.Ф. Коджеспирова, Ю.А. Коваленко, Е.Ф. Прохоров // Вісник Харківського університету, Радіофізика та електроніка. 1999. Вип.1. C. 102-107.

4. Capacitance-voltage characteristics of selectively doped AlxGa1-xAs/GaAs heterostructures containing deep traps / E.F. Prokhorov, N.B. Gorev, I.F. Kodzhespirova, Yu.A. Kovalenko // J. Appl. Phys. 1999. Vol.86, No 1. P. 532-536.

5. Nondestructive technique for the characterization of deep traps at interlayer interfaces in thin-film multilayer semiconductor structures / J. Gonzalez-Hernandez, E. Prokhorov, N.B. Gorev, I.F. Kodzhespirova, Yu.A. Kovalenko // Jour. Vac. Sci. Technol. B. 1999. Vol.17, No 5. P. 2357-2360.

6. Nonmonotony of the extrinsic photoconductivity of n-type GaAs thin-film structures under backgating / E.F. Prokhorov, N.B. Gorev, I.F. Kodzhespirova, Yu.A. Kovalenko // Microelectron. J. 2000.Vol.31, No 4. P. 267-269.

7. Квазідвовимірна модель захоплення носіїв у структурі арсенідгалійового польового транзистора з затвором Шоткі / М.Б. Горєв, Ю.А. Коваленко, І.Ф. Коджеспірова, Є.Ф. Прохоров // Сб. науч. тр. ИРЭ НАНУ, Радиофизика и электроника. Харьков: ИРЭ НАНУ. 1998. Т.3, № 3. С. 103-105.

8. C-V методика прогнозирования захвата в структурах ПТШ / Горев Н.Б., Коджеспирова И.Ф., Коваленко Ю.А., Прохоров Е.Ф. // Матер. 8-й Междунар. Крымск. конф. “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии”, Севастополь: Вебер. 1998. Т.1. С. 140-141.

9. Устройство для низкочастотных вольтфарадных измерений параметров материалов СВЧ-электроники / Горев Н.Б., Карпов Г.М., Коджеспирова И.Ф., Коваленко Ю.А., Прохоров Е.Ф. // Матер. 8-й Междунар. Крымск. конф. “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии”, Севастополь: Вебер. 1998. Т.2. С. 677-678.

10. Technique and instrument for the characterization of deep traps in GaAs MESFET structures / N.B. Gorev, I.F. Kodzhespirova, S.A. Kostylev, Yu.A. Kovalenko, E.F. Prokhorov // IEEE Press, Proc. 5th Int. Conf. on Solid-State and Integrated-Circuit Technology. Beijing (China). 1998. P. 668-669.

11. Effect of deep traps on the low-frequency capacitance-voltage characteristic of selectively doped AlxGa1-xAs/GaAs heterostructures / N.B. Gorev, I.F. Kodzhespirova, S.A. Kostylev, Yu.A. Kovalenko, E.F. Prokhorov // IEEE Press, Proc. 5th Int. Conf. on Solid-State and Integrated-Circuit Technology. Beijing (China). 1998. P. 661-663.

12. Non-destructive technique for the characterization of deep traps at interlayer interfaces in thin-film multilayer semiconductor structures / J. Gonzalez-Hernandez, E. Prokhorov N.B. Gorev, I.F. Kodzhespirova, Yu. A.Kovalenko // Proc. 1st Int. Conf. on Advan. Materials and Processes for Microelectr. San Jose (CA, USA). 1999. 4 p.

13. Instrument for low-frequency CV characterization of deep levels in thin-film semiconductor structures / Gorev N.B., Karpov G.M., Kovalenko Yu.A., Kodzhespirova I.F., Prokhorov E.F. // Abstr. Booklet of the 2nd Int. School-Conf. on Phys. Probl. in Mater. Sci. of Semicond. Chernivtsi : Chernivtsi St. Univ. Publ. House. 1997. P. 25-26.

14. Effect of deep traps at the interlayer interfaces on the characteristics of thin-film GaAs devices / E. Prokhorov J. Gonzalez-Hernandez, N.B. Gorev, I.F. Kodzhespirova, Yu.A. Kovalenko // IX Latin American Congr. on Surface Sci. and its Applications. Havana (Cuba). 1999. P. 31-32.

15. Method for calculating the extrinsic photoconductivity of a thin-film GaAs structure under backgating / E. Prokhorov, J. Gonzalez-Hernandez, N.B. Gorev, I.F. Kodzhespirova, Yu.A. Kovalenko // Abstr. Booklet of the 3rd Int. School-Conf. on Phys. Probl. in Mater. Sci. of Semicond. Chernivtsi: Chernivtsi St. Univ. Publ. House. 1999. P. 240.

16. Influence of deep traps on the low-frequency capacitance-voltage characteristic of AlxGa1-xAs/GaAs and GaAs/Si heterostructures / E. Prokhorov, J. Gonzalez-Hernandez, V.M. Sanches-R., A. Escobosa, N.B. Gorev, I.F. Kodzhespirova, Yu.A. Kovalenko // Abstr. Booklet of the 3rd Int. School-Conf. on Phys. Probl. in Mater. Sci. of Semicond. Chernivtsi: Chernivtsi St. Univ. Publ. House. 1999. P. 257.

17. Anomalous behavior of the pulse transfer characteristic of a selectively doped AlxGa1-xAs/GaAs heterostructure containing deep traps / E. Prokhorov, J. Gonzalez-Hernandez, N.B. Gorev, I.F. Kodzhespirova, Yu.A. Kovalenko // Abstr. Book 3rd Int. Conf. on Low Dimensional Struct. and Devices - Antalya (Turkey). 1999. P. O41-O42.

Анотація

Коваленко Ю.А. Вплив розмірних ефектів на електрофізичні властивості арсенідгалійових структур з глибокими центрами. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла.- Дніпропетровський національний університет, Дніпропетровськ, 2000.

Дисертацію присвячено дослідженню впливу розмірних ефектів, обумовлених наявністю глибоких центрів захоплення, на електрофізичні властивості тонкоплівкових структур на основі арсеніду галію. Розроблено числові методи розрахунку низькочастотної ємності тришарової арсенідгалійової структури тонка плівка - буферний шар - підкладка та високочастотної і низькочастотної ємностей прямої AlxGa1-xAs/GaAs гетероструктури з селективним легуванням. Виявлено фізичний механізм появи аномальної ділянки росту на низькочастотній вольт-фарадній залежності таких структур. Розроблено модель захоплення носіїв з плівки на глибокі центри буферного шару та підкладки арсенідгалійової структури. Запропоновано числовий метод розрахунку домішкової фотопровідності в умовах зворотного керування. Розроблено методику та прилад для вольт-фарадної діагностики глибоких центрів в тонкоплівкових структурах.

Ключові слова: розмірні ефекти, глибокі центри, арсенідгалійова структура, гетероструктура, домішкова фотопровідність, зворотне керування.

Аннотация

Коваленко Ю.А. Влияние размерных эффектов на электрофизические свойства арсенидгаллиевых структур с глубокими центрами. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. - Днепропетровский национальный университет, Днепропетровск, 2000.

Диссертация посвящена исследованию влияния размерных эффектов, обусловленных наличием глубоких центров захвата, на электрофизические свойства тонкопленочных структур на основе арсенида галлия. Разработаны численные методы расчета низкочастотной емкости трехслойной арсенидгаллиевой структуры тонкая пленка - буферный слой - подложка, а также высокочастотной и низкочастотной емкостей прямой AlxGa1-xAs/GaAs гетероструктуры с селективным легированием. Выявлен физический механизм появления аномального растущего участка на низкочастотной вольт-фарадной зависимости таких структур. Разработана модель захвата носителей из пленки на глубокие уровни буферного слоя и подложки арсенидгаллиевой структуры. Предложен численный метод расчета примесной фотопроводимости в условиях обратного управления. Разработана методика и устройство для вольт-фарадной диагностики глубоких уровней в тонкопленочных структурах.

Ключевые слова: размерные эффекты, глубокие центры, арсенидгаллиевая структура, гетероструктура, примесная фотопроводимость, обратное управление.

The summery

Kovalenko Yu.A. Influence of size effects on the electrophysical properties of GaAs structures with deep traps. - Manuscript.

Thesis for obtaining a scientific degree of “Candidate of Physico-Mathematical Science” on speciality 01.04.07 - Solid state physics. - Dnepropetrovsk National University, Dnepropetrovsk, 2000.

The thesis is devoted to the investigation of the influence of size effects caused by deep traps on the electrophysical properties of thin - film GaAs structures. A numerical method of calculation of the low-frequency Schottky barrier capacitance of a three-layered structure (a thin n-GaAs film - a buffer layer - a semi-insulating substrate) has been developed. An anomalous rising portion of the capacitance-voltage characteristic of the above structure has been observed. The barrier capacitance rises with increasing the reverse voltage on this portion of the characteristic. The physical mechanism of rising portion formation has been considered. The fact that the cause of barrier capacitance rising with increase of the reverse voltage is emptying of deep levels at the film - buffer layer interface or at both the film - buffer layer and buffer layer - substrate interfaces has been shown. Experimental demonstration of the rising portion of the capacitance-voltage characteristic of the three-layered structure has been done.

A quasi-two-dimensional model of the carrier trapping from the film to vacant deep levels of the buffer layer and substrate has been proposed. By using this model, the fact that influence of deep levels on the film conductance may be estimated from a single quantity has been shown. This quantity is the effective concentration of vacant deep levels at the film - buffer layer interface. The effective concentration can be determined from the rising portion of the low-frequency capacitance-voltage characteristic of three-layered GaAs structures.

Numerical methods of calculation of the low- and high-frequency Schottky barrier capacitance of a selectivity doped AlxGa1-xAs/GaAs heterostructure containing deep traps have been developed. When deep traps are localized at the heterointerface, an anomalous rising portion of the low-frequency capacitance-voltage characteristic of the heterostructure has been observed. The fact that the mechanism of rising portion formation of the heterostructure is the same as for the above three-layered GaAs structure has been shown. The conclusion that this mechanism is universal has been made.

Numerical methods of calculation of the extrinsic photoconductivity of thin - film n-GaAs structures under backgating have been developed. A new physical mechanism of the extrinsic photoconductivity of thin - film n-GaAs structures under backgating has been found. This mechanism is based on a change in the backgating threshold voltage under extrinsic illumination. This change is due to illumination-induced redistribution of the substrate voltage between the bulk of the substrate and the near-film region of the additional deep traps. According to this mechanism, the extrinsic photoconductivity is a non-monotonic function of the voltage applied to the substrate. It is theoretically shown that this mechanism may result in a transition from positive to negative photoconductivity even if all deep levels in the substrate are electron traps. Experimental demonstration of the predicted behavior of the extrinsic photoconductivity of thin-film n-GaAs structures under backgating has been done.

A low-frequency capacitance-voltage procedure of measurement of the effective concentration of vacant deep levels has been proposed. This procedure may be recommended for use in express-evaluation of semiconductive materials.

The instrument for measurement of the barrier capacitance of a semiconductor structure at low frequencies has been developed. This instrument may be recommended for use in semiconductor manufacturing and testing cycles.

The anomalous behavior of the low-frequency barrier capacitance of the selectively doped AlxGa1-xAs/GaAs heterostructure that was observed can be used for testing electronic devices based on heterostructures.

The results obtained during the study of the extrinsic photoconductivity of a thin - film n-GaAs structure under backgating can be used for controlling the photosensitivity of n-GaAs devices.

Key words: size effects, deep traps, GaAs structure, heterostructure, extrinsic photoconductivity, backgating

Размещено на Allbest.ru