Введение к работе
Актуальность темы. Объемные неоднородности определяют характеристики полупроводниковых структур. В общем смысле под объемными неодно-родностями будем понимать неоднородности кристаллической структуры и состава, распределения примесей, свободных электронов и дырок, плотности электрического тока.
Объемная неоднородность порождает пространственные зависимости подвижности носителей заряда, рекомбинационных параметров, внутреннего электрического поля, энергетического спектра электронов и дырок, а также других физических величин. Электрофизические характеристики полупроводниковых структур в значительной степени определяются транспортом носителей заряда через пространственно неоднородные области. В основе формирования объемных неоднородностей лежат фундаментальные процессы взаимодействия элементарных дефектов или возбуждений кристалла. В следствие многообразия процессов взаимодействия анализ образования объемных неоднородностей и их влияния на физические свойства полупроводниковых структур является сложной теоретической задачей, требующей различных методов решения.
К моменту постановки решаемых в диссертационной работе задач был накоплен богатый экспериментальный и теоретический материал по формированию структурных неоднородностей в процессе выращивания полупроводниковых материалов сложного состава, а также поликристаллов. Однако ряд фактов, связанных с взаимодействием примесных и собственных атомов решетки, образованием комплексов, формированием фазы упорядочения примесей, взаимным влиянием границ зерен и дислокаций требовал дополнительного теоретического анализа и построения моделей, описывающих эти процессы.
Образование комплексов из примесей, вакансий, междоузельных атомов под действием ионизирующих излучений активно исследуется различными авторами. Изучаются процессы взаимодействия вторичных радиационных дефектов с атомами водорода и лития. Комплексы, содержащие литий, являются более стабильными, чем содержащие водород, однако их образование и влияние на параметры материала исследовано в меньшей степени. Для анализа процессов дефектаобразопания в кремнии необходимо рассмотреть взаимодействие вакансий, междоузельных атомов и основных примесей: фосфора, бора, кислорода, углерода, а также лития.
Неоднородное распределение электронов и дырок обусловлено двумя основными причинами: во-первых, неоднородностями структуры и состава, во-вторых, неравновесными условиями, например, освещением или приложенным напряжением. Существующие модели потенциальных барьеров, созданных р-n- и гетеропереходами, границами зерен, не достаточно полно отражают ряд нелинейных эффектов, связанных с транспортом носителей заряда и их взаимодействием. Например, несимметричное распределение электронов и дырок в
4 обласні пространственного заряда, экранирование p-n-перехода фотогенериро-ванными носителями заряда, изменение внутреннего электрического поля в сильно легированных областях, нелинейность генерационных и рскомбинаци-онных процессов в областях пространственного заряда и др.
На основании вышеизложенного можно заключить, что тема диссертационной работы является актуальной и составляет крупную научную проблему, фсчпющую теоретическою обобщения.
Целью данной работы является теоретический анализ влияния объемных пеоднородностей на параметры полупроводниковых структур, а также исследование процессов, обусловливающих формирование объемных неоцно-родиостей.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
-
Разработка модели примесных и собственных комплексов, взаимодействие которых обусловливает образование фаз упорядочения, в полупроводниковых твердых растворах с изовалентным замещением. Изучение процесса комплексообразования на примере системы Gc-Si.
-
Исследование с помощью методов квантовой теории поля изменения зонной структуры для примесной сверхрешетки в сильно легированных твердых растворах полупроводников типа А3В5(,.х)В6х.
-
Исследование образования дислокаций в кремнии с полисинтетической двойниковой структурой. Построение калибровочной теории, отражающей взаимосвязь трансляционных и поворотных элементов деформации, описывающей образование структурных дефектов под действием термических напряжений.
-
Исследование образования вакансий, собственных междоузельных атомов и их комплексов с примесями под действием ионизирующих излучений Е кремнии. Анализ влияния этих дефектов на параметры полупроводникового материала.
-
Исследование распределения электронов и дырок на основе решения фундаментальной системы уравнений переноса носителей заряда в неоднородных полупроводниках. Разработка моделей транспорта носителей заряда е полупроводниковых структурах в различных условиях. Анализ влияния концентрационной зависимости параметров.материала, эффектов сильного легирования, лавинного умножения и др. на вольт-амперные характеристики полупроводниковых структур.
-
Изучение нелинейных процессов и построение модели транспорта носителей заряда через границы зерен и связанные с ними области пространственного заряда.
Научная новизна полученных в диссертации теоретических результатов. 1. Впервые проведено комплексное.теоретическое исследование образования элементарных объемных пеоднородностей и их влияния на параметры полупроводниковых структур в различных условиях. Элементарные объемные
5 неоднородности: примесные и собственные комплексы в твердых растворах полупроводников, трансляционные и поворотные элементы деформации, комплексы из примесей, вакансий, собственных междоузельных атомов, неоднородности распределения электронов и дырок, - образованы точечными дефектами (элементарными возбуждениями кристалла), формируют макроскопические объемные неоднородности.
-
На основе обобщения'экспериментальных и теоретических данных, характеризующих взаимодействие структурных компонентов в твердых растворах Ge|.vSi*, предложена феноменологическая модель образования примесных .«"собственных комплексов атома замещения с атомами собственной решетки, формирующих фазы упорядочения при двух значениях концентрации одного из компонентов полупроводникового твердого раствора. Примесный комплекс образуется атомом замещения в окружении только из атомов исходного кристалла, если энергия и радиус локализации валентных электронов замещающего атома меньше энергии и радиуса локализации валентных электронов собственных атомов, предложена формула для оценки радиуса сферы деформации примесного комплекса. Собственные комплексы, образующие кластеры, представляют выделение новой фазы со структурой элементарной ячейки 3GeGelGeSi, найдено число атомов Si в кластере-39
-
Рассчитано изменение энергетической структуры сильно легированных полупроводников со сверхрешеткой из "мелких" доноров, используя методы квантовой теории поля и квантовой статистики. Найдена зависимость от концентрации электронов энергии взаимодействия Ujnl электронов и остовов примесных атомов в кристаллах GaAs, GaSb, InAs, InSb для простой кубической, ОЦК и ГЦК сверхрешеток. Значения | U,nt| малы по сравнению с энергией валентного взаимодействия. В вырожденном полупроводнике, содержащем сверхрешетку из "мелких" доноров, зона проводимости расщепляется на подзоны, разделенные зонами запрещенных энергий, рассчитаны значения ширины зоны запрещенных энергий, образовавшейся в зоне проводимости, для сильно легированных кристаллов InAs п-тигїа.
-
Изучено влияние периодически расположенных двойниковых границ на термические напряжения в плоских кремниевых лентах с учетом анизотропии кристалла, макроскопической неоднородности структуры и осевой неоднородности температурного поля. Показано, что в области полисинтетических, двойников с размером зерна меньше критического среднеквадра-тичігьіе касательные термические напряжения не достигают критических значений образования дислокаций. Показана связь плотности дислокаций с кривизной внешней поверхности профилированного кремния.
-
Предложена последовательно геометрическая калибровочная теория структурных дефектов и термических напряжений, отражающая взаимосвязь трансляциошіьіх и поворотных элементов деформации. В рамках этой теории выведено уравнение, обобщающее уравнение Бельтрами-Мичелла, най-
депо решение этого уравнения для плоской кремниевой ленты в области пластичности вблизи фронта кристаллизации, описывающее сброс термических напряжений вследствие образования дислокаций.
1. Исследовано взаимодействие вакансий, собственных междоузельных ато
мов, примесных атомов кислорода, углерода, бора, фосфора и лития в
кремнии, являющееся основным механизмом структурных перестроек под
шйствнем'ионизирующих излучений. Построена феноменологическая мо-
jt'.Jb' образования первичных; радиационных дефектов, обобщающая из
вестные экспериментальные и теоретические данные. Выделены основные
кііачііх'п.мігіескіїе реакции; необходимые для расчета процесса образования
вгоричных радиационных дефектов и их комплексов с атомами лития,
сформулирована соответствующая .этим реакциям система дифференциаль
ных уравнений. Рассчитаны значения скоростей генерации первичных ра
диационных дефектов, концентраций вторичных радиационных дефектов и
основных носителей заряда, времени жизни неосновных носителей заряда
при облучении Потоками электронов или протонов. "':- "'
-
В кремнии, легированном фосфором, образуются дивакансии'/А, Е, К-:цен-трьі," области разупорядочения. В кремнии, легированном бором,-образуются дивакансии, А, К- центры, комплексы SijB, области разупорядочения. Увеличение концентрации бора приводит к снижению концентраций К-центров и отрицательно заряженных А- центров, которые являются наиболее активными центрами рекомбинации. Установлены закономерности взаимодействия атомов Li с радиационными дефектами, в результате которого снижается концентрация рекомбинационно активных центров.
-
На основе решения фундаментальной системы уравнений переноса носителей заряда в неоднородных полупроводниковых структурах установлень следующие особенности распределения и транспорта электронов и дырок Энергетические диаграммы кремниевых п+-р-р+ структур изменяются ( ростом уровня освещенности, в высокоомной области образуется фотости мулйрованный потенциальный барьер. Область пространственного заряді мелкого диффузионного п+-р перехода содержит слой, обогащенный элек тронами, сйльНое неравенство сечений захвата электронов и дырок на цен тры рекомбинации; в этом слое обусловливает нелинейность скорости ре комбинации. Отрицательное влияние жесткого сужения запрещенной зоні на напряженность тянущего электрического поля в сильно легированно: части диффузионного n-p-перехода компенсируется за счет статистик Ферми - Дирака. В освещенном полупроводнике с параболической ідаордк натной зависимостью ширины запрещенной зоны существуют условия дл возникновения колебаний термолизованной электронно-дырочной плазмы.
-
Построены модели транспорта носителей заряда в арсенидгаллиевы р^-По-п* структурах при высокой плотности тока и р+-п-р-п+ структурах прямом закрытом состоянии и в области отрицательного дифференциалі ного сопротивления. Эффекты сильного легирования, зависимости ширинь
7 запрещенной зоны от уровня инжекции, электронно-дырочного рассеяния дают малый вклад в величину падения напряжения на р+-п0-п* структуре. Отрицательное дифференциальное сопротивление pT-n-p-iV структур обу-словленно эффектами "заплывания" и микроплазменного лавинного пробоя на площади много меньшей площади п-р-перехода. >. Построена модель протекания электрического тока через границы зерен общего типа в кремнии с учетом нелинейных процессов изменения поверхностного заряда. На ВАХ межкристаллической границы выделены 3 различных по форме участка, соответствующих линейной, слабой и приблизительно экспоненциальной зависимости тока от напряжения. Предложена формула, позволяющая оценить вклад межкристаллнческих границ в эффективное время жизни неосновных носителей заряда. Научно-практическая значимость работы.
. Рассмотренные взаимодействия структурных компонентов с образованием примесных, собственных комплексов и фаз упорядочения, определяющие микроскопическую и макроскопическую неоднородность материалов, носят не только фундаментальный, но и практический характер, так как аналогичные эффекты наблюдались в ряде сильно легированных полупроводниковых соединений и твердых растворов.
!. Результаты расчетов распределения термических напряжений и плотности дислокаций в плоских лентах и гранях кремниевых многогранных труб, выращенных способом Степанова, содержащих чередующиеся двойниковые границы, показывают, что высокая плотность дислокаций в кремниевой ленте не связана с термическими напряжениями, существует возможность повышения времени жизни носителей заряда.
. Изучены механизмы радиационного дефектообразования в кремнии, выращенном методом Чохральского и влияние концентрации примесей на коэффициенты деградации времени жизни, диффузионной длины неосновных и концентрации основных носителей заряда. При облучении низкоэнергетическими протонами может произойти инверсия типа проводимости в кремнии высокой и средней омности п-типа. Радиационная стойкость низ-коомного кремния р-типа выше, чем аналогичного материала n-типа. В кремнии р-типа, легированном Li, проводимость возрастает со временем облучения, по степени деградации времени жизни неосновных носителей заряда явным преимуществом обладают образцы р-типа с высокой концентрацией Li над аналогичными образцами п-типа.
. На основе анализа транспорта носителей заряда в неоднородных полупроводниковых структурах определены причины, ограничивающие характеристики ряда приборов. Сильное неравенство сечений захвата электронов и дырок на центры рекомбинации, выполняющееся в пределах тонкого дефектного слоя в области пространственного заряда п+-р-перехода, снижает КПД кремниевых п*-р-р+ фотоэлектрических преобразователей при доста-
8 точно высоком значении напряжения холостого хода. Рассчитаны оптимальные параметры распределения примесей.
5. Увеличение напряжения силового диода ДАГ-200 с ростом температуры в области токов 1-10 А обусловлено величиной сопротивления контактной системы, а не эффектами в объеме полупроводниковой структуры. Для повышения напряжения переключения арсенидгаллиевых тиристоров необходимо достич максимального значения полного сопротивления микроплазм и увеличить толщину низколегированной п-базы.
(). Рскомоинацношю активные границы зерен мало влияют па параметры еіруктур из поликристаллического кремния при расстоянии между ними 1-500 мкм. Основной причиной, ограничивающей эффективность фотоэлектрических преобразователей из крупноблочного кремния, является низкое время жизни неосновных носителей заряда в объеме зерен.
-
Результаты работы могут использоваться при получении полупроводниковых твердых растворов с наперед заданными свойствами, поликристаллов с улучшенными характеристиками, при создании фотоэлектрических преобразователей из монокристаллического и поликристаллического кремния, силовых диодов и тиристоров из арсенида галлия, также других полупроводниковых приборов.
-
Материалы диссертации использованы в разработанных и прочитанных специальных лекционных курсах "Физика дефектов в полупроводниках" и "Фотоэлектрические системы", а также при постановке курсовых и дипломных работ для студентов физико-технического факультета Кубанского государственного университета.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту:
-
Феноменологические модели структурных компонентов в полупроводниковых твердых растворах, объясняющие возникновение фаз примесного упорядочения. В вырожденном полупроводнике, содержащем сверхрешетку из "мелких" доноров, зона проводимости расщепляется на подзоны, разделенные зонами запрещенных энергий.
-
Калибровочная теория структурных дефектов и термических напряжений, описывающая сброс термических напряжений вследствие образования дислокаций. В областях, содержащих периодически расположенные двойниковые границы с расстоянием между ними меньше критического, среднеквадратичные касательные термические напряжения не достигают критических значений образования дислокаций. Кривизна внешней поверхности профилированного кремния существенно влияет на распределение структурных дефектов в объеме материала.
-
Результаты теоретических исследований влияния примесных атомов фосфора, лития, бора, кислорода и углерода на процесс радиационного ком-плексообразования в кремнии. Закономерности изменения концентрации основных и времени жизни неосновных носителей заряда в результате взаимодействия атомов Li с радиационными дефектами.
-
Результаты теоретических исследований неоднородностей распределения концентраций электронов и дырок, сужения ширины запрещенной зоны, внутренних электрических полей, области пространственного заряда, кинетических и рекомбинационных параметров в освещенных планарных кремниевых структурах с n-р и изотопным переходами, а также в неосвещенных арсенидгаллиевых p-i-n структурах. Образование фотостимулированного потенциального барьера.
-
Колебания термолизованной электронно-дырочной плазмы в освещенном полупроводнике с параболической координатной зависимостью ширины запрещенной зоны существуют, если изменение дрейфовой скорости неравновесных носителей заряда происходит быстрее, чем их рекомбинация. Частота колебаний линейно зависит от плотности фототока.
-
Результаты расчетов ВАХ GaAs p+-n-p-n'-структур в прямом закрытом состоянии и в области отрицательного дифференциального сопротивления с учетом неоднородного распределения плотности электрического тока, обусловленного микроплазменным лавинным пробоем обратно смещённого п-р-перехода. Прямое переключение происходит за счет эффектов "заплывания" и микроплазменного лавинного пробоя на площади, много меньшей площади п-р-перехода.
-
Модель электрически и рекомбинационно активных границ зерен. Результаты расчетов транспорта носителей заряда через границы зерен и связанные с ними области пространственного заряда в поликристаллических кремниевых структурах.
Достоверность полученных результатов определяется учетом основных физических явлений в моделях, описывающих влияние объемных неоднородностей на параметры полупроводниковых структур, использованием численных методов решения сформулированых задач, соответствием теоретиче-скігх результатов работы экспериментальным и теоретическим данным других авторов.
Вклад автора в разработку проблемы. Диссертация является обобщением результатов работ, проведенных автором, в НПК "Сатурн" (г. Краснодар) и Кубанском государственном университете в 1978-1999 г. В совместных работах автору принадлежат разработка моделей и методов решения, проведение расчетов и анализ результатов.
Совокупность представленных в работе результатов по теоретическому исследованию влияния на параметры полупроводниковых структур объемных неоднородностей кристаллической решетки, состава, распределения примесей,-электронов и дырок носит как фундаментальный, так и прикладной характер, является существенным вкладом в физику полупроводников. Построенные модели объемных неоднородностей основаны на механизмах взаимодействия точечных дефектов, рассматриваемых как элементарные возбуждения кристалла. Это позволяет выделить класс элементарных объемных неоднородностей, включающий примесные и собственные комплексы в твердых растворах полу-
10 проводников, трансляционные и поворотные элементы деформации,.комплексы, образованные примесями, вакансиями, собственными междоузельными атомами, неоднородности распределения электронов и дырок, из элементов которого формируются макроскопические объемные неоднородности. Итогом работы явилось решение крупной научно-технической проблемы физики полупроводников и полупроводниковой электроники - исследования механизмов формирования объемных неоднородностей и электрофизических свойств объемно-неоднородных полупроводниковых структур.
Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы ь.'К омывались на Всесоюзной конференции "Пути использования солнечной энергии"' (Черноголовка, 1981 г.), 2 Республиканской конференция по фотоэлектрическим явлениям в полупроводниках (Одесса, 1982 г.), 5 Всесоюзной конференции по физико-химическим основам легирования полупроводниковых материалов (Москва, 1982 г.), 11 совещании по теории полупроводников (Ужгород, 1983 г.), 4 школе по физико-химическим основам методов получения и исследования материалов электронной техники (Новосибирск, 1984 г.), 11 Всесоюзной конференции "Возобновляемые источники энергии" (Ереван, 1985 г.), 7 конференции по процессам роста и синтеза полупроводниковых кристаллов и пленок (Новосибирск 1986 г.), 2 Всесоюзной конференции "Структура и электронные свойства границ зёрен в металлах и полупроводниках" (Воронеж, 1987 г.), Всесоюзном совещании "Перспективы развития и создания единой научно-технической производственной и эксплуатационной базы Краснодарского края по использованию возобновляемых источников энергии и проблемы их использования в народном хозяйстве страны (Геленджик, 1988 г.), 3 Всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники" (Дивноморское, 1996 г.), Международной конференции "Центры с глубокими уровнями в полупроводниках и полупроводниковых структурах" (Ульяновск, 1997 г.), 4 Всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники" (Дивноморское, 1997 г.), Международной конференцій "Оптика полупроводников" (Ульяновск, 1998 г.).
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 56 печат ных изданиях, включаючих 38 статей и 18 тезисов докладов на научно технических конференциях, симпозиумах, совещаниях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения пяти глав и заключения. Она изложена на 317 страницах, включая 68 рисунков 14 таблиц и список литературы, насчитывающий 934 наименования.
