Анализ генерационно-рекомбинационных и туннельно-рекомбинационных процессов в областях пространственного заряда сложных полупроводниковых структур по экспериментальным вольтамперным характеристикам тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

На правах рукописи

Ермаков Михаил Сергеевич

Анализ генерационно-рекомбинационных и туннельно-

рекомбинационных процессов в областях пространственного заряда сложных полупроводниковых структур по экспериментальным вольтамперным характеристикам

Специальность: 01.04.10 - Физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

г 8 НОЯ 2013

Ульяновск-2013 005540755

005540755

Работа выполнена на кафедре инженерной физики в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждения высшего профессионального образования «Ульяновский государственный университет»

Научный руководитель: Доктор физико-математических наук, профессор

Булярский Сергей Викторович

Официальные оппоненты: Маняхин Федор Иванович,

доктор физико-математических наук, профессор, Федеральное государственное автономное образовательного учреждение, высшего

профессионального , образования л «Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"», заведующий кафедрой

Сергеев Вячеслав Андреевич,

доктор технических наук, доцент, Ульяновский филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова Российской академии наук, директор

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Самарский государственный университет»

Защита состоится 20 декабря 2013 г. в 13 часов 00 мин. на заседании диссертационного совета Д212.278.01 при ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный университет», по адресу: г. Ульяновск, Набережная реки Свияги, 106, корпус 1, ауд. 703.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный университет», с авторефератом - на сайте http://ppo.ulsu.ru и на сайте Высшей аттестационной комиссии при Министерстве образования и науки Российской Федерации — http://vak.ed.gov.ru.

Отзывы об автореферате просьба присылать по адресу: 432017, г. Ульяновск, ул. Л. Толстого, д. 42, Ульяновский государственный университет, Отдел послевузовского и профессионального образования.

Автореферат разослан Л» ишА*. 2013.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физико - математических наук

"е&ил^-

Вострецова Л. Н.

Актуальность темы

Участки ВАХ, обусловленные рекомбинацией в области пространственного заряда (ОПЗ), несут полезную информацию о свойствах центров рекомбинации, которая, как правило, не используется. Это заставляет вернуться к рассмотрению теоретических выражений для этих характеристик и поиску простых, но эффективных методов определения энергий активации и коэффициентов носителей заряда на центры, участвующие в генерационно-рекомбинационных процессах, с учетом- специфики разнообразных материалов.

В настоящее время разработана обобщенная теория транспорта носителей заряда в наноструктурированных мезоскопических средах [1]. Данная теория объясняет процессы переноса носителей заряда в наноразупорядоченных полупроводниках. Она объединяет генерационные и туннельные процессы. Из неё вытекают в качестве частных случаев известные модели, а именно: рекомбинации Шокли, прыжковой проводимости Мотта, баллистического транспорта. Данная теория применялась к светодиодам на основе фосфида галлия, лавинным диодам на основе кремния и светодиодам нй основе тройных соединений. Несмотря на определенные преимущества перед емкостными методами, данная теоретическая модель используется относительно редко. К недрстаткам экспериментальных работ, выполненных по'верификации данной модели, следует отнести тот факт, что в них не проводилось раздельного определения коэффициентов захвата и концентрации рекомбинационных центров. В данной диссертации проводится модификация алгоритма вычисления параметров рекомбинационных центров, устраняющих данный недостаток.

Применение данной теоретической модели для анализа процессов в углеродных нанотрубках требует ее апробации на известных полупроводниках и полупроводниковых соединениях. В качестве таковых в диссертации выбраны кремний, легированный золотом, арсенид галлия и тройные азотосодержащие полупроводниковые соединения. Проверка, новой. теоретической модели на известных и достаточно хорошо исследованных структурах, является первым этапом применения данной модели к углеродным нанотрубкам. Затем апробированная модель используется для анализа процессов переноса в одиночной углеродной нанотрубки (УНТ) и в массиве углеродных нанотрубок. УНТ обладают важными для практического использования свойствами: проводить ток очень высокой плотности до 109 А/см2; менять свои свойства при присоединении (адсорбции) других атомов и молекул; испускать электроны со своих концов при низких температурах (холодная электронная эмиссия), испускать свет и т.д.

Поэтому во всем мире ведутся интенсивные исследования свойств УНТ, что расширяет область их практического применения,

Адекватной теорйи переноса носителей заряда в УНТ пока не создано. Баллистический перенос в УНТ имеет место. Однако это далеко не единственный механизм. Он описываегток в одиночной изолированной трубке с металлическим тшом проводимости. В массивах трубки часто сращиваются. Поэтому возможны переходы между трубками. Это особенно сильно выражено при переносе электронов в направлении перпендикулярном росту трубок. При этом реализуются туннельные и прыжковые механизмы переноса. В трубках встречаются разнообразные дефекты: упаковки, вакансии, примеси и т.д., следовательно, могут иметь место явления рекомбинации. Эти механизмы. необходимо учитывать при разработке моделей переноса.

В целом диссертационная работа направлена на апробацию новой теоретической модели переноса носителей заряда в наноразмерных полупроводниках и ее применению для анализа процессов переноса заряда в углеродных нанотрубках и является актуальной.

Цель диссертационной работы

Целью диссертационной работы является изучение процессов рекомбинации и туннельно-рекомбинационных процессов в области пространственного заряда полупроводниковых структур, развитие, модификация и апробация методов анализа вольтамперных характеристик, основанных на данных теоретических моделях, а также применение этих методов для исследования структур на основе углеродных нанотрубок.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Развитие теоретической модели рекомбинации в области пространственного заряда р-л-переходов, разработка алгоритма раздельного определения коэффициентов захвата и концентрации рекомбинационных центров на основе анализа прямой ветви вольтамперных характеристик/7-л-переходов.

2. Тестирование предложенной модели на реальных образцах: р-н-переходах на основе кремния, легированного золотом, светодиодных структурах на основе арсенида галлия и тройных азотосодержащих полупроводниках.

3. Применение данной модели к процессам радиационного образования дефектов в арсениде галлия.

4. Исследование процессов переноса носителей заряда в УНТ, и применимости туннельно-рекомбинационной модели к образцам на основе- одиночных нанотрубок и массива углеродных нанотрубок, разработка методов получения энергетических параметров процессов переноса в УНТ.

4

Объект и предмет исследования

Объектом исследования являются генерационно-рекомбинационные и тунельно-рекомбинационные процессы, происходящие в полупроводниках и сложные полупроводниковых структурах.

Предметом исследования является влияние рекомбинационных центров на вольтамперные характеристики.

Научная новизна

1. Развита теоретическая модель рекомбинации в области пространственного заряда р-л-переходов для получения коэффициентов захватов носителей заряда, энергии активации глубокого уровня, концентрации локальных состояний в полупроводниках и полупроводниковых соединениях. Сопоставление полученных результатов с литературными данными доказали адекватность метода, хорошую точность, простоту и надежность для определения параметров центров рекомбинации в полупроводниках.

2. Применение данной модели к исследованию воздействия гамма облучения на арсенид галлия позволила определить изменение концентрации и состава рекомбинационных центров в области пространственного заряда р-н-переходов на арсениде г&члия. Показано, что данная модель позволяет определять энергии активации туннельно-рекомбинационных процессов в р-и-переходах на основе тройных азотосодержащих соединений.

3. Установлено, что в структурах на основе углеродных нанотрубок перенос носителей заряда обусловлен туннельно-рекомбинационными процессами. Приложение туннельно-рекомбинашшнной модели к этим структурам позволило выявить, что при переносе электронов них участвуют локальные состояния и определены энергию активации этих состояний.

4. Массивы вертикальностояших углеродных нанотрубок показывают высокую чувствительность к влажности. Предполагается, что это обусловлено взаимодействием молекул воды с углеродными трубками в массиве, приводящим к сближению отдельных нанотрубок, что приводит к увеличению вероятности прыжка между локализованными состояниями, стоящих рядом нанотрубок, и, соответственно, повышает величину тока проводимости в массиве, вдоль направления, перпендикулярного направлению роста трубок.

Практическая ценность

1. Модифицированная теоретическая модель, рекомбинации в области пространственного заряда, позволила разработать методику раздельного определения коэффициентов захвата и концентраций рекомбинационных центров, путем пересчета в нее вольтамперной и вольтфарадной характеристик полученных при одном значении температуры. Данная методика существенно расширяет возможности анализа рекомбинационных процессов в области пространственного зарядар-и-переходов.

2. Получены экспериментальные данные показывающие, что структуры с массивом вертикально стоящих углеродных нанотрубок обладают высокой чувствительностью к влажности, что открывает перспективы создания соответствующих сенсоров.

Положения, выносимые на защиту

1. Модифицированная модель, анализа рекомбинационных процессов в области пространственного заряда р-и-переходов, позволила создать алгоритм раздельного определения коэффициентов захвата электронов и дырок на рекомбинационный центр, а также их концентраций, а не минимальных времен их жизни, характеризуемых произведением данных величин, как это имело место ранее.

2. Апробация разработанных алгоритмов анализа показала возможность их использования для различных полупроводниковых структур в качестве простого и надежного метода определения параметров рекомбинационных центров

3. В структурах, на основе углеродных нанотрубок, перенос носителей заряда, обусловлен туннельно-рекомбинационными процессами. Модифицированный метод анализа для туннельно-рекомбинационных процессов можно применять и й этом случае, вычисляя по экспериментальным вольтамперным характеристикам энергии активации локальных состояний.

4. Массивы вертикальноориентированных углеродных нанотрубок позволяют создавать высокочувствительные датчики влажности.

Апробация работы

Апробация работы проведена на X, XI, XIV международных конференциях по -наноэлектронике, нанотехнологиям и микросистемам, проходившим в 2009, 2010 и

6

2013 годах соответственно, а также на школе молодых ученых «Физические проблемы наноэлектроники, нанотехнологий и микросистем» в 2011 году.

Личный вклад автора

Автором диссертации самостоятельно, при участии научного руководителя, профессора, д.ф.-м.н. Булярского C.B., были разработаны и апробированы модели и алгоритмы анализа рекомбинационных процессов. Экспериментальные исследования, сопоставление результатов диссертации с литературными данными, и интерпретация приложения данных моделей к конкретным полупроводниковым структурам выполнено автором лично.

Достоверность

Обоснованность результатов диссертационного исследования достигается: согласованием новых положений с экспериментальными данными других авторов; проверкой теоретических положений экспериментальными исследованиями; публикациями основных результатов работы в рецензируемых центральных изданиях; обсуждением результатов диссертации на конференциях и получением рецензий от ведущих специалистов.

Публикации

Полученные в диссертации результаты опубликованы в 27 работах, 4 из них в журналах по перечню ВАК, 2 статьи в прочих изданиях, 21 тезис международных и российских конференций.

Структура и объем диссертации

Работа изложена на 120 страницах печатного текста, содержит: 46 рисунков, 31 таблицу, библиографию из 150 наименований. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы.

Краткое содержание работы

Во введении дано обоснование актуальности выбранного направления исследований, сформулированы цели исследований, изложена научная новизна и практическая значимость работы, кратко описано содержание диссертации и приведены основные положения, выносимые на защиту.

В главе 1 представлен обзор работ в области квантоворазмерных структур, способы их применения. Описываются квантоворазмерные структуры в полупроводниках, таких как и ЬЮаМ. Описываются углеродные нанотрубки, их строение, области применения.

Глава 2

Методы анализа рекомбинационных и туннельно-рекомбинационных процессов в ОПЗ, предложенный в работах [1-3], не позволяли учитывать обмен носителями заряда локального уровня одновременно с валентной зоной и зоной проводимости. •

Нами был предложен способ доработки метода анализа рекомбинационных процессов в ОПЗ, путем учета параметров с", р[", которые вошли в коэффициент ут.

(1)

где ая = сшпсярщЫ™, /Зя ут =п^стп + р"стр, где стр - усредненные по всем

состояниям коэффициенты захвата электрона и дырки ш - ого энергетического уровня, л, - концентрация собственных носителей заряда, л", р" - концентрация носителей заряда для т - ого уровня, ~ концентрация т - ого энергетического уровня, д - заряд, к -постоянная Больцмана, Г - температура, и- напряжение.

Подбирая параметры а„, Рт, ут можно описать приведенную скорость рекомбинации, а из данных параметров могут быть найдены параметры локальных состояний такие как: с™, ср - усредненные по всем состояниям коэффициенты захвата электрона и дырки т - ого энергетического уровня, И"- концентрация т - ого энергетического уровня. Энергия активации т - ого глубокого уровня, может быть найдена, принимая, что обе части знаменателя (1) равны:

. (2) ( оРт ^

подставляя Рт=2щс?стр и уя = + а вмест0 "Г = К ехР 1 и

Л«=ЛГ,ехр

Г

кТ

, где =ЕС -Ет и Я™ = Ет-Е,. Решая (2) получаем выражение

для энергии активации глубокого уровня:

_ (Е

Ет =-7-- + 0». (3)

2А'7'1п(—--)

где £ - ширина запрещенной зоны, £/™2=~-, <?„=—1п

9 2?

4 с 7/

систематическая погрешность определения энергии активации составляет около 0.03 эВ [1-3], где к - постоянная Больцмана, Т - температура, д - заряд, ЛГ,, ЛГу - эффективная

плотность состояний в зоне проводимости, в валентной зоне, с", с™ - усредненные по всем состояниям коэффициенты захвата электрона и дырки т - ого энергетического уровня. Решая (4), выясняется один из недостатков метода - невозможность определить зону, от которой отсчитывается (3).

Теперь, когда значение энергии найдено, можно разрешить систему 3 уравнений, разрешая систему:

Л =2 , (4)

откуда: ■

4 атп,

т

К (5)

с» —

с Л кТ)

кТ ут

(6) .

(7)

Мы не прибегали к допущению, что обмен носителями заряда, локального уровня,

с одной из зон значительно больше, чем с другой, как это делалось в работах [2-3]. В

нашем модифицированном методе мы считаем, что глубокий1' уровень обменивается

носителями заряда с обеими разрешенными зонами. Что позволило получить

аналитические выражения для нахождения коэффициентов захвата для электронов и

дырок (б, 7), а также для концентрации локального состояния (5).

В качестве образцов выбраны коммерческие диоды на основе БкАи (Д220Б), ваЛв

(КА-3528РЗС), данные полупроводниковые структуры, наиболее изученные, есть

большое количество информации, с которой можно сравнит полученные нами результаты.

9

Проводились измерения вольтамперных характеристик при фиксированной температуре. Были перестроены Р(Ц), рис. 1. 1.9-1

/8

1.8-

1.7-

1.6-

0.2

"Т"

0.4

Н-'

о.б и, в

0.8

Рис. 1 Зависимость дифференциального показателя наклона ВАХ от

' напряжения для в а Аз диода

I

Из рисунка 1 видно, что дифференциальный показатель ведет себя немонотонно в пределах от 1 до 2, что доказывает наличие рекомбинационных процессов в области

пространственного заряда, значит, в создании рекомбинационного потока участвует

1

несколько глубоких уровней с разной энергией активации [2-3].

Модифицированный метод анализа рекомбинационных процессов (приведенная скорость рекомбинации) был апробирован на ужр упомянутых выше образцах. На рисунке 2 показан пример разделения приведенной скорости рекомбинации.

Рис. 2 Приведенная скорость рекомбинации необлученного образца

1,2,3 - уровни соответствующие локальным состояниям, 4 - эксперимент,

5 - расчетная кривая

Найдены параметры глубоких уровней в диодах при различных дозах гамма облучения, таблица 1.

Таблица 1

Параметры локальных состояний при различных дозах облучения

сп,см3 -С -1 ' Е,,эВ

№ глубокого уровня 1 2 3 1 2 3

Доза, Мрад

0.00 0.52*10"3 0.16*10° 0.48*10"3 0.63 0.51 0.32

0.30 0.48*10"3 0.20*10"* 0.84*10"5 0.68 0.53 0.35

0.50 0.40* Ю-1 0.15*10'" 0.52* Ю"1 0.65 0.50 0.34

продолжение таблицы 1

Ср,СМ3 - с-1 Nt,cM'3

Л« глубокого уровня 1 2 3 1 2 3

Доза, Мрад

: 0.00 0.32*10° 0.99*10"® 0.28* Ю-4 0.18*10® 0.54*10® 0.37*10®

' 0J0 0.30*10"5 0.12*10-' 0.51*10° 0.21*10® 0.37*10* 0.12*10"

0.50 0.24*10"э 0.91*10-" 0.32*10° 0.42*10' 0.56*10® 0.22*10'

Первый уровень можно соотнести с известным антиструктурным дефектом в арсениде галлия: EL2. Увеличение концентрации данного уровня происходит, из-за возникновения в объеме полупроводника радиационного дефекта Е4 - комплекс Asqb-Vas (электронная ловушка). Анализируя параметры для второго (EL3 - VAs-Oi) и третьего уровня (EL6 - VAs-ASj-Voa), мы предполагаем распад дефектов (доза 0.3 Мрад). При дальнейшем увеличении дозы, количество дефектов. увеличивается, что, возможно, связанно с возникновением радиационных нарушений Р2 (для второго уровня), и возникновением электронных ловушек ЕЗ (пара Френкеля VAs-Asi).

Проведен сравнительный анализ различных методов определения параметров локальных состояний в запрещенной зоне полупроводника (таблица 2), показаны основные достоинства и недостатки.

Таблица 2

Сравнительная таблица методов по энергиям глубоких уровней (эВ)

\Мет \Д DLTS [4-7] ТСЕ [4-7] R n? Модифицированная

п/п\ Si:Au GaAs Si:Au GaAs Si:Au GaAs Si:Au GaAs

1 0,56 ±0,03 0,86 ±0.03 0,57 ±0.04 0,72 ±0,03 0,56 ±0,05 0,58 ±0,05

2 0,66 ±0,03, 0,59 ±0,03 0,35 ± 0,05 0,60 ± 0,05 03 8 ±0,05 0,61 ± 0,05

3 0,47 ±0,03 0,35 ± 0,02 0,44 ±0,05 0,45 ± 0,05

4 0,11 ±0.01 0,22 ±0,01 032 ±0,05 03 ± 0,05

Дальнейшее усложнение полупроводников привело к созданию диодов на основе тройных полупроводниковых соединений, например 1пОаК (ВЬ513ЩЮ, В1Х502 и др.). В таких структурах на первое место выходят туннельно-рекомбинационные процессы в области пространственного заряда [8].

Метод анализа туннельно-рекомбинационных процессов предложенный в работе [8], предполагал, что локальный уровень обменивается с равной вероятностью, как с

12

валентной, так и зоной проводимости, что отражается равенством коэффициентов захвата для обоих видов носителей заряда.

Нами предложено усовершенствование метода анализа туннельно-рекомбинационных процессов, путем добавления еще одного параметра, позволяющего учитывать разную вероятность обмена носителями заряда, локального уровня с обеими разрешенными зонами:

где * = ехр(^), ат = а)иЫ?тс"с"п,, Р^с^п1,, /„ =

а„ = соА!т (с>,„ + с"ры )., а т -число глубоких уровней.

Одно из слагаемых (8) достигает максимума, когда выполняется соотношение = ат > откуда находим энергию активации:

Еш=Ее-и + 3,- (9)

где =

2 2а>Ыш

Зная энергию активации глубокого уровня и решая систему 4-х уравнений:

ая =0яКс;с;п,

■тп2

Рп1

Р. =

(10)

получаем: =

(П)

4 атп.

дг = 2а«п< (12)

"ш ГХ- ' у '

ГпЧРт

К ехр(--*(- V.Ж ±+/1))'

(13)

(14)

„ <гт4К±4РМ,+у1) ''^-М^Ыуг.'

квТ

В нашем методе, добавление еще одного коэффициента, позволяет разрешить систему (10), учитывая разные вероятности обмена носителями заряда, локального

13

состояния, с валентной и зонной проводимости, что отражается в разности выражений (13, 14), полученных для коэффициентов захвата.

Проведена апробация данной методики на азотсодержащих тройных полупроводниковых соединениях, в качестве таких структур были выбраны диоды на основе ГпОаМ, как наиболее изученные, а значит полученные нами результаты, можно сравнить с результатами' других исследователей. В работах [8, 9] показано, что в таких структурах имеют место туннельно-рекомбинационные процессы переноса заряда. Значит • предложенный нами метод можно использовать для анализа ВАХ ЬЮаЫ диодов.

На рисунке 3 приведен пример разложения.

и,В

Рис. 3 Приведенная скорость рекомбинации светодиода на основе 1пСаК, где 1 - экспериментальная кривая, по данным; 2 - теоретическая кривая (сумма элементарных кривых); 3, 4,5 - пики соответствующие энергетическим I уровням

Найдены параметры локальных состояний в диодах на основе тройных азотсодержащих полупроводниковых структурах, таблица 3.

Таблица 3

Параметры глубоких центров диода на основе InGaN

1 2 3

Энергия, эВ 0,32 0,16 0,05

с„, ст3:*с"' 0.18*10"15 0.31*10"16 0,19*10"16

Ср, ст3*с"' 0.57*10'14 0.33*10-16 0.52*10"16

N1, ст"3 0.54*109 0.45*Ю10 0.13*Ю10

Полученные значения были сравнены, с данными из литературы, 2 уровень можно соотнести с акцепторным уровнем марганца в ваМ, причем значения совпадают, как по энергиям, так и по значениям коэффициентов захвата [9]. Первый уровень соотносится с уровнем, создаваемым марганцем, 3 уровень соответствует высоте потенциального барьера омического контакта ТиА^-п-ваИ [10].

Метод модифицированной приведенной скорости рекомбинации для анализа рекомбинационных и туннельно-рекомбинационных процессов обладает следующими достоинствами и недостатками.

Достоинства:

1. Простота и быстрота проведения эксперимента, комплекс прост в изготовлении и наладке, использует типовые измерительные приборы с классом точности не хуже 0.01. (погрешность измерения напряжения вольтметра В7-40 не превосходит 0,03%) Шаг изменения напряжения прямого смещения 0.02 В.

2. Для расчета необходимо измерить ВАХ и ВФХ при одной температуре.

3. Приведенная скорость рекомбинации обратная к времени жизни. Эта величина имеет простой графический вид, с которым удобнее работать, нежели с графиком времени жизни. График данной величины легко разделить на составляющие, связанные с отдельными центрами рекомбинации.

4. Температуры - любые, в том числе комнатные.

5. Можно обнаружить центры как излучательной, так и безызлучательной рекомбинации, заключенные в широком интервале энергий внутри запрещенной зоны.

6. Достоинства те же, что и методики Я„р, но есть возможность получить отдельно коэффициенты захвата и концентрацию глубокого уровня.

Недостатки:

1. Трудность определения положения отсчета уровня энергии.

2. Не позволяет обнаруживать примеси на глубоких уровнях.

3. Не дает возможность определения пространственного распределения примесей, образующих глубокие уровни.

Глава 3

Дальнейшим развитием квантоворазмерных полупроводников являются углеродные нанотрубки, которые можно считать одномерными и нанбразмерными объектами. Несмотря на то, что нанотрубки известны достаточно давно, их свойства до сих пор не изучены в полной мере. Поэтому интересно применить методы, предложенные в прошлых главах, для исследования вольтамперных характеристик углеродных нанотрубок.

В работе [11] показано, что в нанопроводах, к которым можно отнести и одностенные углеродные нанотрубки, основным механизмом протекания тока является туннелирование.

В работе [12] представлена ВАХ диода на основе одностенной полупроводникой углеродной нанотрубки рис. 4.

Рис. 4 Вольтамперная характеристика диода на основе одностенной УНТ [12]

16

Чтобы применить метод анализа туннельно-рекомбинационных процессов, необходимо знать концентрацию собственных носителей заряда. Зная зависимость энергии от волнового вектора [13], были найдены аналитические выражения для концентрации электронов в зоне проводимости:

кеТ

-¡М2

где эффективная плотность состояний в зоны проводимости: л]&т'пквГ

N=-

(15)

(16)

4ям2

Аналогично для дырок.

Проведен анализ вольтамперной характеристики диода на основе одиночной одностенной углеродной нанотрубке, методом приведенной скорости рекомбинации для туннельно-рекомбинационных процессов рис. 5. 101в

и, в

I 1 II | I I I I I I > | I I I I | I I i I | I I It]

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 Рис. S Зависимость приведенной скорости рекомбинации и разложение на элементарные составляющие, где 1 - экспериментальная кривая, по данным; 2 — теоретическая кривая (сумма элементарных кривых); За, ЗЬ, Зс - пики соответствующие энергетическим уровням

Выявлено три локальных состояний и были определены энергии этих уровней:

0.1 эВ , 0.2 эВ, 0.3 эВ. Данные уровни можно соотнести с дефектами углеродной нанотрубки.

В главе 4 представлены образцы интегрального преобразователя давления на основе массива вертикальностоящих углеродных нанотрубок, описана установка для его изготовления, а также механизм синтеза массива углеродных нанотрубок.

После изготовления массивы УНТ обладали металлическим типом проводимости, в

результате воздействия электрическим током ,¡»20 МА/м2 выжигались остатки катализатора между нанотрубками, и проводимость менялась на нелинейную.

Перед началом измерения образцы сушились в сухом кислороде при температуре 200 °С в течение не менее 3-х часов. Затем в темноте при комнатной температуре измерялась вольтамперная характеристика. Первое измерения после указанного выше режима сушки показало высокое сопротивление образцов при нелинейной вольтамперной характеристике. Перед вторым измерением образец помещался в затемненный замкнутый сосуд непосредственно над поверхностью воды. Ток при одинаковом напряжении и комнатной температуре увеличился в 105 раз, После этого цикл сушки - измерение в сухой атмосфере - измерение во влажной атмосфере циклически повторялся. Были получены стабильные, воспроизводимые вольтамперные характеристики. Вид вольтамперной характеристики (рис.6) хорошо описывается формулами для туннельной

Рис. 6 Вольтамперная характеристика массива УНТ: 1-до насыщения водой, 2- сразу после насыщения, 3-через несколько последовательных отжигов

18

Для обработки вольтамперных характеристик, был применен метод модифицированной приведенной скорости рекомбинации для туннельно-рекомбинационных процессов. В результате были найдены значения энергий для локальных состояний.

Адсорбция молекул воды сопровождается изменением плотности локализованных состояний, а также их сдвигу по энергиям. Молекулы воды на поверхности нанотрубок создают взаимное притяжение, за счет сил Ван-дер-Ваальса, которые сближают нанотрубки в пучке. В виду этого уменьшается радиус локализации электронов, который обуславливает перенос между соседними трубками, это обстоятельство приводит к росту отношения токов.

Основные выводы:

1. Развита модель анализа рекомбинационных процессов в области пространственного заряда р-и-переходов. На основе этой модели, модифицирован алгоритм анализа экспериментальных вольтамперных характеристик (методом приведенной скорости рекомбинации). Апробация данного метода была выполнена на хорошо исследйванных материалах: кремний, легированный золотом и арсенид галлия. Результаты проверки показали высокую точность используемого метода. В отличие от предложенного ранее, в работах [2, 3], метода, модификация модели позволила раздельно определять коэффициенты захвата электронов и дырок, а также концентрацию рекомбинационных центров, а не минимальные времена их жизни, как это имело место ранее, выражения (5-7) и таблицы 1,2.

2. На тройных азотосодержаших соединениях, была проверена точность модели туннельно-рекомбинационной модели переноса носителей заряда. Анализа экспериментальных вольтамперных характеристик, тройных полупроводниковых соединений, хорошо согласуются с литературными данными, что доказывает адекватность применяемых методов для определения параметров рекомбинационных центров, таблица 3.

3. Метод, модифицированной приведенной скорости рекомбинации для туннельно-рекомбинационных процессов, был использован для анализа структур с углеродными нанотрубками и вычисления, по экспериментальным вольтамперным характеристикам, энергии активации локальных состояний. Данная методика была апробирована на вольтамперной характеристики диода, на основе отдельной однослойной углеродной нанотрубки, и были вычислены энергии трех локальных состояний, которые можно соотнести с дефектами в структуре нанотрубке.

19

4. Экспериментально показано, что массивы углеродных нанотрубок позволяют создавать высокочувствительные датчики влажности. Во влажной среде, проводимость массива, вертикально стоящих углеродных нанотрубок, увеличивается на несколько порядков. Механизм увеличения проводимости связан с уплотнением массива, в результате взаимодействия нанотрубок с молекулами воды, за счет сил Ван-дер-Ваальса. При этом среднее расстояние прыжка носителя, который обуславливает перенос заряда между соседними трубками, уменьшается, а ток увеличивается.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах

Из них из списка ВАК:

1. С.В.Булярский, Л.Н.Вострецова, М.С.Ермаков Определение энергетических параметров электронных состояний в полупроводниковых углеродных нанотрубках // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки, №4,2012, с 205-213.

2. М.С. Ермаков Воздействие низкоэнергетического гамма-облучения изотопов Eu на GaAs // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру, вып. 4,2012, с. 58-60.

3. Sergei Bulyarsky, Yyacheslav Galperin, Levan Ichkitidze, Michael Ermakov, Alexander Pavlov, Yuri Shaman High Moisture Sensitivity of the Elements Based on Carbon Nanotubes Array // Materials Sciences and Applications, 4,2013,p. 8-10.

4. C.B. Булярский, A.C. Басаев, A.B. Гальперин, М.С. Ермаков, A.A. Павлов, Ю.П. Шаман Высокая влагочувствительность элемента на основе пучка углеродных нанотрубок // Письма в ЖТФ, том 39, вып. 20,2013, с. 1-6.

Остальные работы:

5. Булярский C.B., Ермаков М.С. Исследование свойств облученных и не облученных образцов на основе GaAs // Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы. Труды X международной конференции. Тезисы докладов конференции, Ульяновск, 2008. - С.214.

6. Булярский C.B., Ермаков М.С. Влияние облучения гамма квантами на свойства р-п-переходов на основе GaAs // Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы. Труды XI международной конференции. Тезисы докладов конференции, Ульяновск, 2009. - С.6.

7. Булярский C.B., Ермаков М.С. Сравнительный анализ приведенной скорости рекомбинации облученного р-п-перехода на основе GaAs // Опто-,

20

наноэлектрониха, нанотехнологии и микросистемы. Труды XI международной конференции. Тезисы докладов конференции, Ульяновск, 2009. - С.6.

8. Булярский C.B., Ермаков М.С. Влияние облучения гамма-квантами на свойства р-и-переходов на основе GaAs // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки. Пенза. 2009. С. 133-138.

9. Амброзевич A.C., Вострецова JI.H., Кагарманов A.C., Ермаков М.С. ,Манакина О.В. Влияние длительного пропускания прямого тока на электрические и оптические характеристики светодиодов InGaN/GaN // Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы. Труды XII международной конференции. Тезисы докладов конференции, Ульяновск, 2010. - С.20.

10. Амброзевич A.C., Вострецова Л.Н., Кагарманов A.C., Ермаков М.С., Манакина О.В. Влияние длительного пропускания прямого тока на вольтамперные характеристики светодиодов InGaN/GaN // Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы. Труды XII международной конференции. Тезисы докладов конференции, Ульяновск, 2010. - С.21.

И. Булярский C.B., Ермаков М.С. , Манакина О.В. Туннельная составляющая токопереноса светодиодов на основе InGaN при деградации // Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы. Труды XII международной конференции. Тезисы докладов конференции, Ульяновск, 2010. - С.22.

12. Амброзевич A.C., Вострецова Л.Н., Кагарманов A.C., Ермаков М.С., Манакина О.В. Изменение яркости светодиодов на основе InGaN при деградации // Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы. Труды XII международной конференции. Тезисы докладов конференции, Ульяновск, 2010. - С.23.

13. Амброзевич A.C., Ермаков М.С. , Манакина О.В. Создание стенда для деградации светодиодов // Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы. Труды XII международной конференции. Тезисы докладов конференции, Ульяновск, 2010. - С.24-25.

14. Амброзевич A.C., Вострецова JI.H., Кагарманов A.C., Ермаков М.С. , Манакина О.В. Изменение электрических и оптических характеристик светодиодов InGaN/GaN при длительном протекании тока // Современные проблемы наноэлектроники, нанотехнологий, микро- и наносистем: Труды школы молодых ученых. Тезисы конференции, Ульяновск. 2010. - С. 61-62.

15. Ермаков М.С. , Манакина О.В. Туннельная составляющая токопереноса светодиодов на основе InGaN при деградации // Современные проблемы

наноэлектроники, нанотехнологий, микро- и наносистем: Труды школы . молодых ученых. Тезисы конференции, Ульяновск. 20Ю. - С. 65.

16.;Булярский C.B., Вострецова JI.H., Ермаков М.С. Модель рекомбинации и ■транспорта в наноразмерных системах // Опто-, наноэлекгроника, нанотехнолопш и микросистемы. Труды XIII международной конференции. Тезисы докладов конференции, Ульяновск, 2011. - С.200.

17. Ермаков М.С. Формирование квантовых структур при облучении гамма • квантами р-п-переходов на основе GaAs. Труды школы Физические проблемы наноэлектроники, нанотехнологий и микросистем. — Ульяновск: УлГУ, 2011. — С.18-22.

18. Ермаков М.С., Сергеева O.A. Анализ и обработка вольтамперных характеристик светодиодов на основе арсенида галлия // Труды школы Физические проблемы наноэлектроники, нанотехнологий и микросистем. -Ульяновск: УлГУ, 2011. - С. 12-27.

19. Ермаков М.С., Сергеева O.A. Исследование влияния температуры на GaAs // Опто-, наноэлекгроника, нанотехнологии и микросистемы. Труды XVI международной конференции. Тезисы докладов конференции, Ульяновск, 2012. - С.80.

20. Ермаков М.С. Исследование воздействия гамма облучения на GaAs // Опто-, наноэлекгроника, нанотехнологии и микросистемы. Труды XVI международной конференции. Тезисы докладов конференции, Ульяновск, 2012. - С.81.

21. Ермаков М.С., Сергеева O.A. Исследование деградации GaAs диодов при постоянном токе // Опто-, наноэлекгроника, нанотехнологии и микросистемы. Труды XVI международной конференции. Тезисы докладов конференции, Ульяновск, 2012.-С.82,

22. Булярский C.B., Басаев A.C., Гальперин A.B., Ермаков М.С., Павлов A.A., Шаман Ю.В. Высокая влагочувствительность элемента на основе пучка углеродных нанотрубок П Опто-, наноэлектроника, нанотехнолопш и микросистемы. Труды XVI международной конференции. Тезисы докладов конференции, Ульяновск, 2013. - С.22-23.

23. Ермаков М.С. Дефекты в углеродных нанотрубках // Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы. Труды XVI международной конференции. Тезисы докладов конференции, Ульяновск, 2013. - С.24-25.

24. Ермаков М.С. Модифицированная методика приведенной скорости рекомбинации для анализа рекомбинационных процессов в полупроводниках //

22

Oirro-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы. Труды XVI международной конференции. Тезисы докладов конференции, Ульяновск, 2013. - С.115-117.

25. Булярский C.B., Ермаков М.С., Сергеева O.A. Определение параметров центров рекомбинации по вольтамперной характеристикам р-п-переходов // Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы. Труды XVI международной конференции. Тезисы докладов конференции, Ульяновск, 2013. - С.134-135.

26. Булярский С.В„ Сергеева O.A., Ермаков М.С. Определение параметров глубоких центров методом приведенной скорости рекомбинации полупроводниковых соединений А3В5 на примере GaAs// Опта-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы. Труды XVI международной конференции. Тезисы докладов конференции, Ульяновск, 2013. - С.136-137.

27. В.Д. Рисованый, В.В. Светухин, Д.Я. Вострецов, JI.H. Вострецова, A.C. Амброзевич, М.С. Ермаков Влияние длительного протекания прямого тока на электрические характеристики светодиодов на основе InGaN // Успехи прикладной физики т. 1, № 1,2013, с. 92 - 96.

Список цитированной литературы

1. Булярский С. В. Углеродные нанотрубки: технология, управление свойствами, применение: [монография] / Ульяновск : Стрежень, 2011. - 478 с.

2. C.B. Булярский, Н.С. Грушко «Генерационно-рекамбинационные процессы в активных элементах». М.: МГУ, 1995. с. 399.

3. C.B. Булярский, Н.С. Грушко «Обобщенная модель рекомбинации в неоднородных полупроводниковых структурах» // ЖЭТФ. 2000. т. 118, вып. 11. с. 1222-1223.

4: Мйлнс А. Примеси с глубокими уровнями в полупроводниках : учеб. пособие // -М.: Мир, 1977.-568 с.

5. Высокотемпературный отжиг и ядерное легирование GaAs, облученногореакторныминейтронами//-ФТП, 1997, т. 31,№7, 811-815 с.

6. Литвинов В.Г., Гудзев ' В.В., Релаксационная спектроскопия полупроводниковых микро- и наноструктур. // - Рязань, Вестник РГРТУ. № 4. В.30. 2009.

7. Берман U.C., Лебедев A.A. Емкостная спектроскопия глубоких центров в полупроводниках. // - Л.: Наука, 1981,- 176 с.

8. Н.С. Грушко, Е.А. Логинова, Л. Н. Потанахина. // Процесс туннельной рекомбинации в пространственно неоднородных структурах // Физика и техника полупроводников. - 2006. - том 40, вып. 5.-е. 584-588.

9. Амброзевич А.С., Амброзевич С.А., Грушко Н.С., Потанахина Л.Н. Определение энергии глубоких центров структуры на основе твердого раствора InGaN// Письма в ЖТФ, 2006, т. 32, вып. 4, с. 16 - 23.

10. Т.В. Бланк, Ю.А. Гольдберг Механизмы протекания тока в омических .

• контактах металл-полупроводник // ФТП, т.41, в. 11, 2007, с. 1281 - 1308.

11.А.Н. Алешин Квазиодномерный транспорт в проводящих полимерных нанопрводах // ФТТ, т. 49, вып. 11,2007, с. 1921 - 1940.

12. Л Ung Lee, «Photovoltaic effect in ideal carbon nanotube diodes» // Appl. Phys. Lett. 2005. 87,073101. p. 1-3.

13. П. Харрис «Углеродные нанотрубки и родственные структуры. Новые материалы XXI века». М.: Техносфера. 2003. с. 336.

/

Подписано в печать 13.11.2013. Формат 60 х 84/16. Гарнитура Times New Roman. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 120 экз. Заказ № 1461^-32.

Отпечатано с оригинал-макета в Издательском центре Ульяновского государственного университета 432017, г. Ульяновск, ул. Л. Толстого, .42

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение Высшего профессионального образования Ульяновский государственный университет

Анализ генерационно-рекомбинационных и туннельно-

рекомбинационных процессов в областях пространственного заряда сложных полупроводниковых структур по экспериментальным вольтамперным

характеристикам

На правах рукописи

Ермаков Михаил Сергеевич

01.04.10 - Физика полупроводников

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель доктор физико-математических наук, профессор

Булярский Сергей Викторович

Ульяновск-2013

Оглавление

Введение.......................................................................................................................4

1 Квантовые полупроводниковые наиоразмерные структуры......................13

1.1 Классификация квантоворазмерных структур..............................................13

1.2 Квантоворазмерные структуры в полупроводниках.....................................14

1.2.1 Дефекты в 81................................................................................................14

1.2.2 Основные электрофизические свойства ваАБ........................................16

1.2.3 Влияние облучения на ОаАэ диоды.........................................................19

1.2.4 Квантоворазмерные структуры в СаАэ и 1пОаК....................................20

1.3 Определение параметров глубоких центров из прямых вольтамперных характеристик р-п-переходов................................................................................21

1.3.1 Дифференциальный показатель наклона ВАХ.......................................22

1.3.2 Аналитическое выражение для метода анализа рекомбинационных процессов (приведенной скорости рекомбинации).........................................23

1.3.3 Туннельная рекомбинация........................................................................25

1.4 Углеродные нанотрубки...................................................................................28

1.4.1 Методы получения углеродных нанотрубок...........................................28

1.4.2 Одностенные углеродные нанотрубки.....................................................29

1.4.3 Применение УНТ, в различных датчиках................................................34

1.4.4 Геометрическое строение углеродной нанотрубки................................36

1.4.5 Дефекты в углеродных нанотрубках........................................................39

1.4.6 Применение углеродных нанотрубок в электронных приборах...........40

1.4.7 Шумы в приборах на основе УНТ............................................................42

1.5 Заключение........................................................................................................43

2 Перенос тока в полупроводниковых структурах...........................................44

2.1 Описание установки для измерения ВАХ......................................................44

2.2 Анализ ВАХ диода методом приведенной скорости рекомбинации......45

2.3 Анализ экспериментальных ВАХ для ваАБ диода.......................................48

2.4 Анализ ВАХ для облученных диодов............................................................53

2.5 Анализ ВАХ ваАэ диодов деградировавших при постоянном токе...........57

2.6 Влияние температуры ваАБ диодов на параметры глубоких уровней.......65

2.7 Модифицированный метод анализа рекомбинационных процессов (усовершенствованная приведенная скорости рекомбинации).........................71

2.8 Анализ экспериментальных В АХ для облученных диодов усовершенствованным методом анализа рекомбинационных процессов........73

2.9 Анализ ВАХ усовершенствованной приведенной скоростью рекомбинации GaAs диодов, подвергшихся деградации при постоянном рабочем токе........75

2.10 Усовершенствованный метод анализа рекомбинационных процессов при различных температурах для GaAs диодов..........................................................78

2.11 Анализ ВАХ Si диода усовершенствованным методом анализа рекомбинационных процессов..............................................................................81

2.12 Сравнительный анализ экспериментальных значений с теоретическими данными...................................................................................................................82

2.13 Описание использованных образцов на основе InGaN..............................82

2.14 Анализ экспериментальных ВАХ образцов на основе InGaN...................83

2.15 Усовершенствованный метода анализа туннельно-рекомбинационных процессов..................................................................................................................85

2.16 Метод модифицированной приведенной скорости рекомбинации для анализа рекомбинационных и туннельно-рекомбинационных процессов обладает следующими достоинствами и недостатками.....................................88

2.17 Заключение......................................................................................................89

3 Вольтамперная характеристика диода, на основе одиночной одностенной углеродной нанотрубки...........................................................................................90

3.1 Плотность состояний в энергетических зонах для УНТ..............................90

3.2 Разложение приведенной скорости рекомбинации.......................................91

3.3 Заключение........................................................................................................94

4 Исследование вольтамперной характеристики реальных образов на основе массива углеродных нанотрубок.............................................................95

4.1 Конструкции экспериментальных образцов интегрального преобразователя давления...................................................................................................................95

4.2 ВАХ полученных образцов..............................................................................97

4.3 Разложение приведенной скорости рекомбинации.....................................102

4.4 Заключение......................................................................................................105

Заключение..............................................................................................................106

Список использованной литературы.................................................................108

Введение

Актуальность темы

Участки ВАХ, обусловленные рекомбинацией в области пространственного заряда (ОПЗ), несут полезную информацию о свойствах центров рекомбинации, которая, как правило, не используется. Это заставляет вернуться к рассмотрению теоретических выражений для этих характеристик и поиску простых, но эффективных методов определения энергий активации и коэффициентов носителей заряда на центры, участвующие в генерационно-рекомбинационных процессах, с учетом специфики разнообразных материалов.

В настоящее время разработана обобщенная теория транспорта носителей заряда в наноструктурированных мезоскопических средах [1]. Данная теория объясняет процессы переноса носителей заряда в наноразупорядоченных полупроводниках. Она объединяет генерационные и туннельные процессы. Из неё вытекают в качестве частных случаев известные модели, а именно: рекомбинации Шокли, прыжковой проводимости Мотта, баллистического транспорта. Данная теория применялась к светодиодам на основе фосфида галлия, лавинным диодам на основе кремния и светодиодам на основе тройных соединений. Несмотря на определенные преимущества перед емкостными методами, данная теоретическая модель используется относительно редко. К недостаткам экспериментальных работ, выполненных по верификации данной модели, следует отнести тот факт, что в них не осуществлялось раздельного определения коэффициентов захвата и концентрации рекомбинационных центров. В данной диссертации проводится модификация алгоритма вычисления параметров рекомбинационных центров, устраняющих данный недостаток.

Применение данной теоретической модели для анализа процессов в углеродных нанотрубках требует ее апробации на известных полупроводниках и полупроводниковых соединениях. В качестве таковых в диссертации выбраны кремний, легированный золотом, арсенид галлия и тройные азотосодержащие полупроводниковые соединения. Проверка новой теоретической модели на

известных и достаточно хорошо исследованных структурах является первым этапом применения данной модели к углеродным нанотрубкам. Затем апробированная модель используется для анализа процессов переноса в одиночной углеродной нанотрубке (УНТ) и в массиве углеродных нанотрубок. УНТ обладают важными для практического использования свойствами:

9 2

проводят ток очень высокой плотности до 10 А/см ; меняют свои свойства при присоединении (адсорбции) других атомов и молекул; испускают электроны со своих концов при низких температурах (холодная электронная эмиссия), испускают свет и т.д. Поэтому во всем мире ведутся интенсивные исследования свойств УНТ, что расширяет область их практического применения.

Адекватной теории переноса носителей заряда в УНТ пока не создано. В УНТ имеет место, например, баллистический перенос, однако это далеко не единственный механизм. Он описывает ток в одиночной изолированной трубке с металлическим типом проводимости. В массивах трубки часто сращиваются. Поэтому возможны переходы между трубками. Это особенно сильно выражено при переносе электронов в направлении, перпендикулярном росту трубок. При этом реализуются туннельные и прыжковые механизмы переноса. В трубках встречаются разнообразные дефекты: упаковки, вакансии, примеси и т.д., следовательно, могут иметь место явления рекомбинации. Эти механизмы необходимо учитывать при разработке моделей переноса.

В целом диссертационная работа направлена на апробацию новой теоретической модели переноса носителей заряда в наноразмерных полупроводниках и ее применение для анализа процессов переноса заряда в углеродных нанотрубках и является актуальной.

Цель диссертационной работы

Целью диссертационной работы является изучение процессов рекомбинации и туннельно-рекомбинационных процессов в области пространственного заряда полупроводниковых структур, развитие, модификация и апробация методов анализа вольтамперных характеристик,

основанных на данных теоретических моделях, а также применение этих методов для исследования структур на основе углеродных нанотрубок.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Развитие теоретической модели рекомбинации в области пространственного заряда р-и-переходов, разработка алгоритма раздельного определения коэффициентов захвата и концентрации рекомбинационных центров на основе анализа прямой ветви вольтамперных характеристик р-п-переходов.

2. Тестирование предложенной модели на реальных образцах: р-п-переходах на основе кремния, легированного золотом, светодиодных структурах на основе арсенида галлия и тройных азотосодержащих полупроводниках.

3. Применение данной модели к процессам радиационного образования дефектов в арсениде галлия.

4. Исследование процессов переноса носителей заряда в УНТ и применимости туннельно-рекомбинационной модели к образцам на основе одиночных нанотрубок и массива углеродных нанотрубок, разработка методов получения энергетических параметров процессов переноса в УНТ.

Объект и предмет исследования

Объектом исследования являются генерационно-рекомбинационные и туннельно-рекомбинационные процессы, происходящие в полупроводниках и сложных полупроводниковых структурах.

Предметом исследования является влияние рекомбинационных центров на вольтамперные характеристики.

Научная новизна

1. Развита теоретическая модель рекомбинации в области пространственного заряда р-и-переходов для получения коэффициентов захватов носителей заряда, энергии активации глубокого уровня, концентрации локальных состояний в полупроводниках и полупроводниковых соединениях. Сопоставление полученных результатов с литературными данными доказало

адекватность метода, хорошую точность, простоту и надежность для определения параметров центров рекомбинации в полупроводниках.

2. Применение данной модели к исследованию воздействия гамма-облучения на арсенид галлия дало возможность определить изменение концентрации и состава рекомбинационных центров в области пространственного заряда ^-«-переходов на арсениде галлия. Показано, что данная модель позволяет определять энергии активации туннельно-рекомбинационных процессов в /»-«-переходах на основе тройных азотосодержащих соединений.

3. Установлено, что в структурах на основе углеродных нанотрубок перенос носителей заряда обусловлен туннельно-рекомбинационными процессами. Приложение туннельно-рекомбинационной модели к этим структурам позволило выявить, что при переносе электронов в них участвуют локальные состояния, и определить энергию активации этих состояний.

4. Массивы вертикальностоящих углеродных нанотрубок показывают высокую чувствительность к влажности. Предполагается, что это обусловлено взаимодействием молекул воды с углеродными трубками в массиве, приводящим к сближению отдельных нанотрубок, что способствует увеличению вероятности прыжка между локализованными состояниями стоящих рядом нанотрубок и, соответственно, повышает величину тока проводимости в массиве вдоль направления, перпендикулярного направлению роста трубок.

Практическая ценность

1. Модифицированная теоретическая модель рекомбинации в области пространственного заряда позволила разработать методику раздельного определения коэффициентов захвата и концентраций рекомбинационных центров путем пересчета в нее вольтамперной и вольтфарадной характеристик, полученных при одном значении температуры. Данная методика существенно расширяет возможности анализа рекомбинационных процессов в области пространственного заряда /?-и-переходов.

2. Получены экспериментальные данные, показывающие, что структуры с массивом вертикально стоящих углеродных нанотрубок обладают высокой чувствительностью к влажности, что открывает перспективы создания соответствующих сенсоров.

Положения, выносимые на защиту

1. Модифицированная модель анализа рекомбинационных процессов в области пространственного заряда р-и-переходов позволила создать алгоритм раздельного определения коэффициентов захвата электронов и дырок на рекомбинационный центр, а также их концентраций, а не минимальных времен их жизни, характеризуемых произведением данных величин, как это имело место ранее.

2. Апробация разработанных алгоритмов анализа показала возможность их использования для различных полупроводниковых структур в качестве простого и надежного метода определения параметров рекомбинационных центров.

3. В структурах на основе углеродных нанотрубок перенос носителей заряда обусловлен туннельно-рекомбинационными процессами. Модифицированный метод анализа для туннельно-рекомбинационных процессов можно применять и в этом случае, вычисляя по экспериментальным вольтамперным характеристикам энергии активации локальных состояний.

4. Массивы вертикальноориентированных углеродных нанотрубок позволяют создавать высокочувствительные датчики влажности.

Апробация работы

Апробация работы проведена на X, XI, XIV международных конференциях по опто-, наноэлектронике, нанотехнологиям и микросистемам, проходивших в 2009, 2010 и 2013 гг., а также на заседаниях Школы молодых ученых «Физические проблемы наноэлектроники, нанотехнологий и микросистем» в 2011 г.

Личный вклад автора

Автором диссертации самостоятельно, при участии научного руководителя - профессора, д.ф.-м.н. Булярского C.B., были разработаны и апробированы модели и алгоритмы анализа рекомбинационных процессов. Экспериментальные исследования, сопоставление результатов диссертации с литературными данными и интерпретация приложения данных моделей к конкретным полупроводниковым структурам выполнены автором лично.

Достоверность

Обоснованность результатов диссертационного исследования достигается: согласованием новых положений с экспериментальными данными других авторов; проверкой теоретических положений экспериментальными исследованиями; публикациями основных результатов работы в рецензируемых центральных изданиях; обсуждением результатов диссертации на конференциях и получением рецензий от ведущих специалистов в данной области науки.

Публикации

Полученные в диссертации результаты опубликованы в 27 работах, 4 из них - в журналах по перечню ВАК, 2 статьи - в прочих изданиях, 21 работа -тезисы международных и российских конференций.

Структура и объем диссертации

Работа изложена на 120 страницах печатного текста и содержит: 46 рисунков, 31 таблицу, библиографию из 150 наименований. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы.

Краткое содержание работы

Во введении дано обоснование актуальности выбранного направления исследований, сформулированы цели исследований, изложена научная новизна и практическая значимость работы, кратко описано содержание диссертации и приведены основные положения, выносимые на защиту.

В главе 1 представлен обзор работ в области квантоворазмерных структур и способы их применения, описываются квантоворазмерные структуры в

полупроводниках, таких как ОаАэ и 1пСаЫ, а также проводится описание углеродных нанотрубок, их строение и области применения.

Глава 2

Методы анализа рекомбинационных и туннельно-рекомбинационных процессов в ОПЗ, предложенные в работах [1-3], не позволяли учитывать обмен носителями заряда локального уровня одновременно с валентной зоной и зоной проводимости. Нами предложена доработка метода анализа рекомбинац�