Введение к работе
Актуальность темы В настоящее время известно, что слабые
магнитные поля (Н<10* А/м) способны вызвать длительные
релаксационные процессы в термодинамически неравновесных
диамагнитных и парамагнитных материалах[1-5]. Экспериментально
установлено, что действие слабого магнитного поля приводит к
изменению дефектной структуры немагнитных кристаллов.
Обнаружены магнитостимулированные изменения свойств ионных
диэлектриков, немагнитных металлов, полупроводников,
^агнитопластический" эффект в ионных кристаллах и эффект упрочнения немагнитных сталей и сплавов после обработки импульсным магнитным полем изучаются уже достаточно давно и уже нашли практическое применение. Свойства полупроводников и полупроводниковых структур после магнитной обработки изучены пока недостаточно полно.
Исследование изменений свойств полупроводников после воздействия слабого магнитного поля находится пока в стадии сбора экспериментальных данных. Актуальность таких исследований определяется тем, что:
а) Слабые магнитные поля могут вызвать релаксации характеристик
элементов полупроводниковой электроники [2], поэтому исследование
этого явления важно для повышения стабильности полупроводниковой
аппаратуры.
Известно применение обработки импульсным магнитным полем для улучшения свойств сталей и сплавов. Получены данные об изменении свойств узкозонных полупроводников после обработки импульсным магнитным полем. Исследование изменений свойств полупроводниковых структур после действия магнитного поля может привести к разработке режимов обработки, вызывающих направленное изменение свойств полупроводников. Технологии, созданные на основе этого эффекта, обладали бы рядом достоинств, по сравнению, например, с ионной имплантацией : бесконтактность, простота и низкая стоимость аппаратуры.
б) Физические причины структурной перестройки в немагнитных
полупроводниках после действия слабого магнитного поля остаются
дискуссионными. Исследования магнитоиндуцированных изменений
свойств полупроводниковых структур должны оказаться полезным в
развитии представлений о взаимодействии полей с твердыми телами.
Актуальность темы диссертации подтверждается значительным ростом количества работ, опубликованных по этой тематике в 1995-1997 г. различными авторами.
Цель и задачи работы. Целью настоящей работы является исследование релаксационных процессов, происходящих в Si МОП-структурах после воздействия слабого постоянного магнитного поля.
Основные задачи работы:
-
исследование влияния слабого постоянного магнитного поля на интегральные фотоэлектрические и электрофизические характеристики Si-МОП-структур, выявление закономерностей релаксационных процессов;
-
исследование изменений локальных свойств границы раздела диэлектрик-полупроводник и приповерхностных областей диэлектрика и полупроводника в подэлектродной и краевых областях Si-МОП-структур после воздействия слабого постоянного магнитного поля;
-
выявление закономерностей, характеризующих интегральные и локальные фотоэлектрические свойства магниточувствительных МОП-структур, экспериментальное моделирование локального нарушения структуры полупроводника при помощи внешних воздействий.
-
разработка методик экспресс-контроля однородности свойств МДП-структур при помощи фотозондирования.
Методы исследования. Для достижения поставленной цели
использовались малосигнальные фотоэлектрические и
электрофизические методы исследования свойств МДП-структур (измерялись высокочастотные вольт-фарадные характеристики, зависимости фото-ЭДС от напряжения смещения, частоты, температуры). Локальные электрические свойства исследовались при помощи измерений распределений фото-ЭДС по площади МДП-структур. При проведении исследований причин фоточувствительности в заэлекгродных областях применялся металлографический метод (селективное травление в растворе Сиртла). Основные положения диссертации, представляемые к защите: 1) Перестройка примесно-дефектной структуры Si-МДП структур, вызванная действием постоянного магнитного поля амплитудой порядка 105 А/м, проявляется в долговременных немонотонных изменениях фотоэлектрических свойств МДП-структур, в том числе в изменении пространственной однородности свойств (возникновении и распаде областей аномальной рекомбинации, изменении планарного распределения темпового сопротивления в полупроводнике и фиксированного заряда в диэлектрике).
2) Особенности фотоэлектрических свойств Si-МДП-структур с
неоднородным по темновому сопротивлению приповерхностным слоем
полупроводника определяются наличием двух различных по механизму
образования составляющих фото-ЭДС , имеющих различные фазы и
неодинаковые зависимости от напряжения смещения, частоты и
температуры. Причиной разделения неравновесных носителей заряда
при освещении подэлектродной области является существование вблизи
поверхности потенциального барьера, индуцированного напряжением
смещения, а при освещении заэлектродных областей - наличие
встроенных полей , созданных неравномерным распределением
электрически-активных центров в кремнии.
3) Процессы растекания неравновесных носителей в инверсионном слое
приводят к появлению пиков на локальных зависимостях фото-ЭДС от
напряжения смещения в случае неоднородности по фиксированному
заряду под полевым электродом, а также в случае существования
инверсионного слоя за пределами полевого электрода.
Перераспределение носителей в инверсионном слое и рекомбинация их
в заэлектродных областях определяют различия в полевых
характеристиках фото-ЭДС на полевом электроде и за его пределами в
случае существования инверсионного слоя за пределами полевого
электрода.
Достоверность полученных результатов подтверждается: корректностью методик , использованных при исследованиях электрофизических и фотоэлектрических свойств , сопоставлением результатов полученных при помощи различных методик. Некоторые результаты проверялись на различных установках для электрических измерений. Полученные в работе сведения о свойствах МДП-структур после магнитной обработки согласуются с известными результатами исследований. Результаты работы не противоречат современным представлениям о процессах в твердотельных системах после воздействия слабых магнитных полей.
Научная новизна работы заключается в следующем: Впервые экспериментально исследовано изменение интегральных и локальных фотоэлектрических свойств n-Si-Si02 структур после воздействия слабого магнитного поля. Показано, что воздействие слабого постоянного магнитного поля приводит к изменению распределения фиксированного заряда в диэлектрике, а также элекгрически-акгивных дефектов в приповерхностном слое полупроводника, возникновению областей термополевой рекомбинации.
Выявлены особенности фотоэлектрических свойств Si-МДП-структур с неравномерным распределением электрически-активных дефектов в приповерхностном слое полупроводника (наличие значительного сигнала фото-ЭДС в режиме обогащения, искажение формы сигнала фото-ЭДС в инверсии , аномальная частотная и температурная зависимости фото-ЭДС).
Установлено, что к появлению пиков на локальных зависимостях фото-ЭДС Si-МДП-структур приводит растекание неравновесных носителей заряда в подэлектродной и заэлектродной областях (в случае реализации режима инверсии в заэлектродных областях), а также наличие неоднородности в распределении фиксированного заряда в диэлектрике под электродом.
Показано, что наличие формованного канала в диэлектрике МДП-
структуры приводит к появлению областей аномальной рекомбинации
носителей заряда , усилению пленарной неоднородности
фотоэлектрических характеристик, а также появлению двух пиков плотности поверхностных состояний.
Практическая и научная ценность работы состоит в следующем:
1) разработана методика экспресс-контроля однородности
рекомбинационных свойств МДП-структур , а также методика
выявления границ таких неоднородностей при помощи локального
фотозондирования. Предложенные методики позволяют повысить
пространственное разрешение измерений при помощи увеличения
частоты модуляции излучения, а также сократить время и трудоемкость
измерений.
2) Экспериментальные результаты, полученные в работе , могут
использоваться при построении количественной теории
магнитоиндуцированных релаксационных процессов в
полупроводниках.
3) Сведения о локальных фотоэлектрических свойствах
неоднородных структур, полученные при помощи фотозондирования,
необходимо учитывать при интерпретации результатов
фотоэлектрических измерений.
Сведения о внедрении результатов диссертации.Методики экспресс-контроля однородности электрических свойств МДП-структур использованы в учебном процессе на кафедре квантовой электроники и фотоники ТГУ при постановке лабораторных работ, о чем имеется соответствующая справка (Приложение 3).
Предложения по использованию результатов работы. Материалы первой главы , где дается обзор работ , посвященных исследованию
процессов в различных материалах после воздействия слабого магнитного поля, целесообразно использовать в учебном процессе при чтении курсов, посвященных проблемам современной физики твердого тела Методики контроля однородности электрических свойств МДП-структур , описанные во второй главе, целесообразно применять для оценки качества изготовленных структур, а также в учебном процессе при постановке и проведении лабораторных работ, посвященных фотоэлектрическим свойствам МДП-структур. Материалы четвертой главы целесообразно применять при проведении фотоэлектрических измерений , для правильной интерпретации экспериментальных результатов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научной сессии Сибирского физико-технического института (1994 г.), 2 Российской конференции по физике полупроводников (г. Зеленогорск, 1996 г.), международной конференции "Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics" (Uzhgorod-1996), 11 международной конференции по тройным и сложным соединениям (Salford-1997), 4 симпозиуме "Оптика атмосферы и океана"(Томск-1997 г.) 3 международной конференции "Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул"(Томск-1997 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 работ список которых приведен в конце автореферата.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (161 источник ) и трех приложений. Диссертация содержит 121 страницу печатного текста, 108 рисунков (включая а, б, в).
