Автоколебания и релаксации фототока в кремнии, легированном селеном тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

на правах рукописи

Чистохин Игорь Борисович

АВТОКОЛЕБАНИЯ И РЕЛАКСАЦИИ ФОТОТОКА В КРЕМНИИ, ЛЕГИРОВАННОМ СЕЛЕНОМ.

Специальность - 0.1.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

Е.Г. Тишковский

Новосибирск - 1998

-2-

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ §1.1 Механизмы неустойчивостей в примесных полупроводниках. Обзор теоретических и экспериментальных работ 12

§1.2 Методы анализа и обработки экспериментальных данных, применяемые при изучении нелинейных динамических систем. 24

§1.3 Релаксационные процессы в компенсированных высокоомных полупроводниках 31

§1.4 Постановка задачи. 3 6

ГЛАВА II. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ

§2.1 Методика получения и подготовки объектов исследования. 39

§2.2 Измерение вольтамперных характеристик (ВАХ), релаксационных характеристик и осцилляций тока. 45

§2.3 Методика измерения спектральной зависимости фотопроводимости 50

ГЛАВА III. ИССЛЕДОВАНИЕ НЕУСТОЙЧИВОСТИ ТОКА В ФОТОСОПРОТИВЛЕНИИ НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ, ЛЕГИРОВАННОГО СЕЛЕНОМ

§3.1 Экспериментальные результаты исследования токовых осцилляций. 53 §3.2 Исследование эволюции автоколебаний фототока. 71

§3.3 Анализ кинетики электронных переходов в кремнии, легированном селеном на устойчивость. 82

ГЛАВА IV. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В КРЕМНИИ, ЛЕГИРОВАННОМ СЕЛЕНОМ.

§4.1 Электрические переходные процессы в кремнии, легированном селеном.

94

§4.2 Моделирование фотоэлектрических переходных процессов в компенсированном высокоомном кремнии, легированном селеном. 104

ЗАКЛЮЧЕНИЕ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

110 113

ВВЕДЕНИЕ

Явления электрических неустойчивостей (срыв тока, спонтанные колебания тока или напряжения) при исследовании полупроводниковых структур обычно наблюдаются, начиная с дрейфовых полей, обеспечивающих слабый разогрев носителей заряда. Как правило, полупроводник с помощью внешних воздействий (света, приложенного напряжения) переводится в состояние, далекое от термодинамического равновесия. Сформированные в сильно неравновесных условиях нелинейные связи между генерационно-рекомбинационными процессами [1] - одна из основных причин, вызывающих неустойчивости в полупроводниках.

Поведение носителей заряда в полупроводниках принято описывать с помощью известной системы дифференциальных уравнений (уравнений непрерывности и Максвелла). Поскольку в состоянии, далеком от равновесия и при наличии нелинейностей они не поддаются решению, для анализа приходится привлекать методы, апробированные и используемые в нелинейной динамике. При этом полупроводниковый кристалл рассматривается как динамическая система со сложным поведением (по терминологии И.Пригожина [2]), в которой свободные и захваченные носители, а также электрическое поле представляют собой динамические переменные.

С этой точки зрения наблюдаемые при развитии неустойчивости в полупроводниках явления спонтанного образования пространственных и временных структур схожи с явлениями самоорганизации [2-3], обнаруженными в сложных физических, химических и биологических системах.

Исследования явлений неустойчивости в полупроводниках представляют большой интерес в связи с возможностью создания приборов нового класса, использующих такие свойства систем со сложным динамическим поведением, как внутренний отбор и усиление флуктуаций. В первую очередь это относится к выяснению условий формирования автоколебательных состояний и г

использованию этих режимов для преобразования уровня внешних воздействий в частоту.

С исследованием микропроцессов, управляющих динамикой развития упорядоченных во времени и пространстве структур в таких системах, связана и проблема устойчивости работы полупроводниковых приборов и интегральных схем, включая и фотоприемники. Кроме того, в ряде случаев эволюция колебательных состояний по мере изменения внешних параметров приводит к хаотическим осцилляциям. Поэтому изучение конкретных механизмов, порождающих колебательные состояния и управляющих их эволюцией, является важным и для решения проблем, связанных с шумовыми характеристиками полупроводниковых устройств.

Наконец, если рассматривать эти явления с точки зрения нелинейной динамики, полупроводники представляют собой удобную модельную систему с большим количеством переменных для изучения нелинейных процессов. Высокий уровень экспериментальной техники, а также достижения технологии полупроводниковых материалов позволяют получать образцы с заданными свойствами и обеспечивать надежную воспроизводимость и высокое временное и пространственное разрешение при исследовании таких явлений.

Особый интерес, с точки зрения вышеизложенного, вызывают исследования примесных полупроводников с глубокими уровнями. При низких температурах такие полупроводники характеризуются временем диэлектрической релаксации, значительно превышающем время пролета между контактами и эффективное время жизни носителей. При этом в однородно легированном полупроводнике возникают условия для формирования на центрах захвата локально нескомпенсированного связанного заряда, способного вызвать режим электрической неустойчивости. Явления, наблюдаемые в этих условиях, настолько своеобразны, что могут служить основой для выделения таких «релаксационных» полупроводников в отдельную группу (см. например, [1]).

Цель данной диссертационной работы состоит в исследовании механизмов, приводящих к возникновению режима неустойчивости электрического тока и определяющих особенности процессов релаксации заряда в кремнии, легированном селеном.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.

Во введении обосновывается актуальность исследований; формулируется цель работы и положения, выносимые на защиту; дается краткая аннотация полученных результатов.

Первая глава является обзорной. В §1.1 дается обзор теоретических и экспериментальных исследований неустойчивостей, наблюдаемых в полупроводниках. Рассмотрены теоретические модели, объясняющие механизмы возникновения неустойчивости. В §1.2 излагаются современные методы и подходы, применяемые для анализа и обработки сигналов в нелинейных динамических системах с целью определения «детерминированности» системы. В §1.3 рассмотрены экспериментальные и теоретические работы, посвященные релаксационным процессам в высокоомных полупроводниках с монополярной проводимостью. В §1.4 формулируются задачи исследований.

Вторая глава посвящена методике эксперимента. Приводится описание создания объекта исследований - образцов кремния, легированного селеном, полученных с помощью ионной имплантации и термической диффузии. Описываются экспериментальные установки и методики для исследования неустойчивостей тока в полупроводниках и релаксационных характеристик.

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию автоколебаний в фотосопротивлении на основе кремния, легированного селеном. В §3.1 приводятся результаты исследования обнаруженных автоколебаний тока, близких к гармоническим. Установлено, что выделенные частоты ос-цилляций линейно зависят от уровня И К засветки и обратной вели чины приложенного напряжения.

Проведенный анализ результатов исследований статических вольт-амперных характеристик, спектральных измерений фотопроводимости и частотной зависимости автоколебаний, показали, что определяющую роль в формировании автоколебательного режима играет ударная ионизация возбужденного состояния донорного центра.

Приводятся результаты обнаружения эффекта «фазовой памяти». Осцилляции, прекращающиеся при выключении подсветки, при повторном включении возобновляются с той же фазы, что была в момент выключения. Качественно, эффект объясняется тем, что при отсутствии оптической генерации пространственное положение и величина заряда на глубоком уровне меняется очень незначительно, поскольку обмен носителей между уровнем и зоной проводимости в отсутствие оптической генерации - исключительно медленный процесс и определяется скоростью термической эмиссии. Приведены количественные оценки флуктуирующего заряда.

В §3.2 исследована эволюция наблюдаемых осцилляций фототока в зависимости от внешних параметров (приложенного напряжения, уровня ИК засветки). С использовгшием современных методов анализа отклика нелинейных динамических систем, апробированных на известных математических моделях, проведена обработка экспериментальных данных и построены фазовые портреты, Фурье спектры и автокорреляционные зависимости. Проведенный анализ позволил выделить основные частоты во всей области неустойчивости, включая участки с широкополосным Фурье спектром, и установить, что выделенные частоты осцилляций подчиняются той же функциональной зависимости - линейно зависят от уровня ИК засвехки и обратной величины приложенного напряжения..

В §3.3 на основе фиксируемых в эксперименте электронных переходов проведен анализ линеаризованной системы уравнений на устойчивость решений по отношению к малым флуктуациям относительно стационарного состояния. Получено дисперсионное соотношение, связывающее пространственные и временные характеристики флуктуаций, и показана опреде-

ляющая роль процесса ударной ионизации возбужденного состояния в развитии нарастания флуктуаций, т.е. в образовании неустойчивости.

Приведены характеристики лабораторного образца ИК датчика, использующего режим автоколебаний. Изложена качественная модель возникновения автоколебательного режима.

Четвертая глава посвящена исследованию фотоэлектрических переходных характеристик в кремнии, легированном селеном. В §4.1 излагаются результаты экспериментального исследования переходных процессов при ступенчатом изменении напряжения. Выявлена роль нестационарной ин-жекции в формирование релаксационных процессов фототока. Получены оценки контактного поля, определяющего релаксацию тока. В §4.2 приводятся результаты численного моделирования фотоэлектрических переходных процессов, привязанные к реальным экспериментальным образцам кремния, легированного селеном. Показана возможность возникновения пространственной неоднородности электрического поля в различные моменты времени как в однородном образце, так и с реальным профилем распределения легирующей примеси, что может вызвать нестационарную ин-жекцию из контакта в виде затухающих волн перезарядки.

В заключении перечислены основные результаты и выводы диссертации, а также указывается вклад автора в выполненную работу. *

На защиту выносятся следующие положения:

1. Основные причины формирования автоколебательного режима фототока в кремнии, легированном селеном - конкуренция процессов диэлектрической релаксации и ударной ионизации возбужденного состояния

примесного уровня селена. Ударная ионизация возбужденного состояния примесного центра приводит к нелинейному увеличению тока в 10 - 100 раз при полях более 1.4x103 В/см. Экспериментально установленная взаимо-

связь между частотой колебаний тока и уровнем интенсивности И К засвет-

ки при заданном приложенном напряжении соответствует процессу диэлектрической релаксации, определяемому эффективным переносом связанного заряда по глубокому уровню.

2. Во всем диапазоне неустойчивости, как свидетельствует анализ методами нелинейной динамики эволюции наблюдаемых осцилляций по мере изменения внешних параметров, автоколебания периодичны, причем частота обратно пропорциональна волновому числу, времени захвата неравновесных носителей, дрейфовой скорости и времени диэлектрической релаксации.

3. Затягивание по времени переходных электрических процессов в кремнии, легированном селеном, а также появление дополнительных скачков тока на релаксационной кривой обусловлены взаимозависимостью нестационарной инжекции носителей из контакта в объем полупроводника и перераспределения захваченного на примесный уровень локально неском-пенсированного заряда. В условиях пространственной неоднородности скоростей фотоионизации и захвата, динамически формирующейся инжектированными и захваченными носителями, релаксация к новому стационарному состоянию происходит путем эффективного медленного движения заряда по глубокому уровню в прикатодную область однородно легированного полупроводника.

Научная новизна работы.

1. В данной работе впервые на структурах кремния, легированного селеном, при засветке, вызывающей монополярную проводимость, обнаружены автоколебания фототока, подчиняющиеся дисперсионному соотношению, характерному для волн пространственной перезарядки глубокого уровня, когда частота обратно пропорциональна произведению волнового числа, времени захвата, дрейфовой скорости и времени диэлектрической релаксации.

-102. На статических вольтамперных характеристиках образцов в присутствии ИК засветки обнаружен участок нелинейного возрастания тока, связанный с ударной ионизацией возбужденного состояния примесных центров в кремнии. Определена зависимость частоты осцилляций фототока от длины волны ИК подсветки в автоколебательном режиме, подтверждающая активную роль возбужденного состояния примесного уровня в развитии неустойчивости.

3. На исследуемых объектах обнаружен эффект «фазовой памяти», при котором колебания прекращались при выключении внешней ИК засветки и при последующем ее включении возобновлялись с той же фазы, на которой были остановлены, что обусловлено «замораживанием» движения локально связанного заряда по глубокому уровню при выключении И К засветки.

4. Всесторонне изучена эволюция наблюдаемых колебаний тока в зависимости от внешних статических параметров. Установлено, что анализ фазовых портретов и корреляционных зависимостей, в отличие от Фурье анализа, дает возможность на количественной основе идентифицировать стадии эволюции наблюдаемых колебаний.

5. Обнаружена особенность на релаксационной кривой в виде скачка тока на завершающей стадии переходного процесса после включении ступенек напряжения, наложенных на исходный постоянный уровень в диапазоне 0 -12 В таком образом, чтобы конечное напряжение было одинаковым. В диапазоне конечных напряжений 15 - 20 В установлена линейная зависимость времени возникновения этого скачка от приложенной ступеньки напряжения, свидетельствующая о взаимозависимости величины инжектированного заряда и распределения электрического поля при протекании переходного процесса.

Практическая ценность работы.

Определены механизмы и выяснены условия, при которых в примесных полупроводниках могут проявляться неустойчивости и долговременная релаксация фототока, ограничивающие как быстродействие, так и границы устойчивого режима работы И К фото приемников. Предложен способ регистрации и измерения ИК излучения, основанный на преобразовании постоянного уровня засветки в частоту автоколебаний фототока. Реализован макет чувствительного ИК датчика на основе кремния, легированного селеном, и показана возможность практического использования механизмов внутреннего усиления флуктуаций с отбором частот в зависимости от интенсивности засветки и приложенного напряжения.

Апробация работы.

Результаты, полученные в данной работе, докладывались на V Всесоюзной конференции молодых ученых и специалистов (Новосибирск 1984 г.), на II международной конференции по фотоэлектрическим явлениям в полупроводниках (Ашхабад 1991 г.), на III Российской конференции «По-лупроводники-97» (Москва 1997 г.), а также на семинарах отдела и института.

Объем диссертация составляет 120 машинописных страниц и включает 36 рисунков и список литературы из 88 наименований.

ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

В главе рассмотрены основные механизмы неустойчивостей в высоко-омных полупроводниках, приводящие к автоколебательному режиму. Проанализированы также особенности релаксационных характеристик фототока. Эти представления будут использоваться в дальнейшем для анализа оригинальных результатов. Кроме того, рассмотрены методы анализа и обработки экспериментальных данных, применяемые при изучении нелинейных динамических систем.

§1.1 Механизмы неустойчивостей в примесных высокоомных полупроводниках. Обзор теоретических и экспериментальных работ

Нелинейная электрическая проводимость, характеризующаяся отклонением от закона Ома, проявляется в большинстве полупроводников при достаточно большом электрическом поле.

Такая зависимость обнаружи�