Флуктуационные процессы на границах раздела зерен и в поликристаллах кремния тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

~ о*

Черновицкий государственный университет им. Юрия Федьковича

На правах рукописи

ТКАЧЕНКО Николай Николаевич

ФЛУКТУАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ

НА ГРАНИЦАХ РАЗДЕЛА ЗЕРЕН И В ПОЛИКРИСТАЛЛАХ КРЕМНИЯ

01.04.10 - Физика полупроводников и диэлектриков

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математичних наук

Черновцы - 1994

Диссертацией является рукопись

Работа выполнена в Запорожском индустриальном институте и в Институте физики полупроводников АН Украины Научный консультант:

доктор физико-математических наук, профессор Н.Б. Лукьянчикова

Официальные оппоненты:

доктор физико-математичмещгнаук, профессор В.А. Шендеровский доктор физико-математичиявхнаук, профессор Б.М. Романкж доктор технических наук, профессор Г.Б. Сердюк

Ведущая организация :Киевский университет им. Тараса Шевченко

Защита диссертации состоится 17 июня 1994 года в 15.00 на заседании специализированного ученого совета Д 068.16.01. Черновицкого государственного университета им. Юрия Федьковича (274012, Черновцы, ул. Коцюбинского, 2, Большая физическая аудитория).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Черновицкого государственного университета, ул.Леси Украинки,23.

й

Автореферат разослан "** " мая 1994 г.

Отзывы на автореферат просим присылать по указанному адресу на имя ученого секретаря специализированного ученого совета.

Ученый секретарь

специализированного ученого совета М.В.Курганецкий

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Интерес к поликристаллическому кремнию, как к относительно недорогому и, к тому же, простому в изготовлении материалу для резисторов, межэлементных соединений в микросхемах, частей активных элементов транзисторов и солнечных батарей, возник уже более двух десятилетий тому назад. Но, хотя изучению проводимости или фотоэлектрическим эффектам было посвящено большое количество оригинальних работ и монографий, на время начала этой работы проблема изучения электрического шума в поликристаллах оставалась практически незатронутой. В то же время, изучение низкочастотного шума, как известно, позволяет не только определять эксплуатационные характеристики полупроводника, но и понять тонкие особенности физических процессов, которые определяют формирование основных параметров объектов исследования.

Сейчас использование поликристаллического кремния проводится так широко, что уже невозможно оставлять в стороне проблему определения характеристик электрического шума в нем, исследования природы процессов, которые определяют флуктуации его электрических параметров, поиск путей снижения шума в этих элементах и приборах электроники. Кроме того, стало совершенно очевидно, что пренебрежение при изучении природы низкочастотного 1/£-шума таким физическим обьектом, как поликристаллический кремний, исключает из рассмотрения богатый по свойствам материал', содержащий практически все элементы физических систем, с которыми связывают происхождение 1/£-шума в полупроводниках: ловушки для носителей и потенциальные барьеры, слои слабо- и сильнолегированного полупроводника, включения чужеродных материалов и поверхностные слои. Одним из наиболее мощных движущих факторов этой работы стало желание исследовать связи механизма формирования 1/£-шума с такими фундаментальными характеристиками полупроводников, как время жизни носителей заряда г, подвижность носителей ц, их концентрация п, об относительной роли которых в механизме формирования 1/£-шума продолжается дискуссия уже не один десяток лет.

Проведения шумовых исследований в полупроводниках невозможно без знания четкой картины электрических процессов в таких системах. Поэтому изучение флуктуации в таких сложных системах, как по- 3

ликристаллы, невозможно без решения задач аналитического и экспериментального определения особенностей формирования электрических характеристик поликристаллов, процессов, которые отвечают за формирования этих характеристик, влияния их на механизм генерации флуктуаций в таких структурах. До этого времени задачи такой постановки в поликристаллах не решались. Все эти факторы определяют актуальность и весомость исследования флуктуационых процессов на границах зерен и в поликристаллах. Кроме того, в ходе работы было решено много других важных сопутствующих задач.

В связи с этим основной целью этой работы стало:

1. Проведение экспериментальних физических исследоваий, направленных на определение природы низкочастотного шума в изолированных границах раздела зерен и в поликристаллических образцах кремния. Сформулированные на основе таких исследований выводы позволили создать непротиворечивую картину протекания неравновесных процессов переноса и захвата носителей на границах зерен, выявить новые особенности изменений заселенности пограничных состояний, установить основные закономерности физики низкочастотных флуктуаций, которые развиваются на границах зерен поликристаллического кремния с потенциальными барьерами и без них.

2. На основе полученных экспериментальных фактов определение роли отдельных физических эффектов в формировании низкочастотных флуктуаций в поликристаллическом кремнии при условиях контролированного влияния на шум м~, х- и п-факторов в широком диапазоне величин для получения новых данных с целью решения проблемы установления природы 1/Т -шума в поликристаллах.

3. Изучение низкочастотного шума в структурах, содержащих границы раздела: в пленках и резисторах на их основе, в гомо- и гетеропереходах на основе поликристаллического кремния, в транзисторных структурах с поликристаллическими слоями в области эмиттера, определения связи шума с другими параметрами структур и роли изменений заселенности пограничных состояний на характеристики шумовых процессов, которые с ними связаны.

4. Проработка до сих пор недостаточно развитых моделей процессов рекомбинации, переноса носителей и диффузии примесей на границах зерен полупроводника.

Научная новизна работы состоит в следующем :

1. Впервые выполнено систематическое экспериментальное исследование низкочастотного шума на границах зерен разного вида: выращенных по методу Степанова и Чохральского, приготовленных методом диффузионного сращивания под давлением и поликристаллических образцов, полученных разными способами: методом литья и газофазного осаждения в реакторе пониженного давления, что позволило установить причины и закономерности поведения низкочастотного шума в таких системах, а именно : относительную роль процессов надбарьерной эмиссии и туннелирования носителей в генерации 1/Г-шума при различных уровнях легирования поликристаллов; влияние процессов изменения заселенности пограничных ловушек на механизм генерации избыточного шума, который сопровождает протекание тока вдоль и поперек границ зерен; причину генерации избыточного токового шума на электрически нейтральных границах зерен, которая состоит в возникновении флуктуации подвижности в деформированных областях границ раздела.

2. Исследована связь 1/£- шума, времени жизни неосновных носителей, механической прочности поликристаллических образцов и обнаружено существованиё корреляции изменения этих параметров, которая наблюдается при изменении размеров зерен и их рекомбинационнок активности, что позволяет сделать вывод о существовании глубинной связи между механизмом возникновения 1/£-шума и состоянием кристаллической решетки поликристалла, в том числе характером ее пост-рекомбинационных релаксаций.

3. Обнаружено явление электростимулированного изменения 'сопротивления границ зерен и поликристаллов в широком диапазоне уровней легирования и на основе комплексного анализа температурной зависимости шума и сопротивления поликристаллов доказано, что причиной этого явления есть электродиффузионные процессы в области границ зерен.

4. Проработаны и развиты новые аспекты моделей изменения энергетической структуры поликристаллов вблизи границ зерен, рекомби-национных процессов на границах, формирования вольтамперных характеристик в поликристаллических барьерных структурах: фотопреобразователях и транзисторах, ускоренной диффузии в сильнолегированных полупроводниках и границах зерен.

Практическая ценность работы состоит в следующем.

1. Установлен уровень и характер поведения низкочастотного шума в поликристаллических резисторах, фотопреобразователях и транзисторах с поликристаллическими слоями в эмиттере, что позволит теперь выбирать оптимальные с точки зрения возможности снижения шума режимы их изготовления и использования

2. Разработаны конструкции фотопреобразователей, в которых оптимизированы ряд элементов для увеличения их эффективности, в том числе области потенциального барьера и форма контактной сетки. Разработаны конструкции гетеропереходных транзисторов, в которых предусматривается значительное увеличение их быстродействия. Созданы модели расчета их характеристик, в том числе и шумовых.

3. Разработана методика электростимулированного изменения сопротивления поликристалличееских резисторов, за счет чего созданы интегральные схемы задержки электрических сигналов с возможностью регулирования параметров микросхем в широком диапазоне времен задержки и температурных коэффициентов , которые характеризуют изменения этих параметров.

4. Материалы диссертации вместе с работами соавторов из Белорусского госуниверситета легли в основу подготовленной к печати в издательстве "Университетское", г. Минск, монографии А.К.Федотова, А.А.Патрина, Н.Н.Ткаченко, И.Б.Снапиро "Электронные процессы на границах зерен в кремнии и германии".

На защиту выносятся:

1ч Результаты исследования флуктуационных процессов на границах зерен и в полукристаллических слоях кремния, а также обнаруженные в процессе исследований специфические закономерности возникновения и поведения низкочастотных электрических флуктуаций в этих обьектах и разработанные для их обьяснения модели, а именно:

1.1. Обнаруженное изменение закона увеличения шумовой активности состояний на границах зерен и способ расчета изменений функции заполнения этих состояний по шумовым измерениям.

1.2. Экспериментально установленные факты температурной стабильности 1/£-шума поликристаллических слоев в широком температурном интервале, связанные с процессами туннелирования носителей сквозь потенциальные барьеры на границах зерен.

1.3. Корреляция между величиной 1/Г-шума, временем жизни не-

основных носителей и механичной прочностью слоев поликристаллического кремния.

1.4. Закономерности влияния модуляции зарядового состояния пограничных ловушек на процесс генерации избыточного шума тока, протекающего вдоль и поперек границ зерен.

1.5. Возникновение избыточного шума на границах зерен без потенциальных барьеров связано с процессом флуктуации подвижности в деформированных областях, которые окружают границы зерен.

2.Электростимулированные явления изменения сопротивления поликристаллического кремния и трансформации шума, обнаруженные в диапазоне уровней легирования 101' - 10г1 см ~3.

3. Возникновение низкочастотного шума в поликристаллических гомо- и гетеропереходных структурах обусловлено физическими процессами, которые протекают на потенциальных барьерах границ раздела: при малых токах - в области пространственного заряда макроскопического р-п перехода, а при больших токах - в квазинейтральных областях этих структур.

4. Идея, что одной из причин повышенной скорости диффузии примесей в сильнолегированных полупроводниках есть изменение законов статистики при концентрациях примесей, больших, чем плотность состояний в зоне, а также применение этой идеи для обьяснения эле-ктростимулированного изменения сопротивления поликристаллического кремния электростимулированной диффузией примесей в области границ зерен.

5. 1/£-шум в барьерных структурах омических контактов, диодах типа металл-полупроводник на основе гпБ, гетеропереходах на основе гпБе-СаАБ, СаАэ А1СаАв, 1Т0 -кремний связан с флуктуациями заселенности состояний на границах раздела, а изменение заселенности этих ловушек под влиянием света и напряжения изменяет характер 1/£-шума и закономерности его зависимости от электрического напряжения.

6. Результаты исследования характеристик, а также идеи конструирования резисторов, фогопреобразователей, биполярных транзисторов, микросхем линий задержки электрических сигналов с использованием поликристаллического кремния.

Достоверность полученных результатов физических экспериментов и сформулированных на их основе выводов, подтверждается соблю-

дением необходимых требований к метрологическому обеспечению ис следований и обработки их результатов, согласованием между развитыми модельными представлениями и полученными экспериментальным! данными. Справедливость большинства научных выводов, опубликованных автором за последние годы, была подтверждена в работах, выполненных в других лабораториях бывшего Советского Союза и за рубежей. К таким выводам относятся обнаруженные особенности проявлена ц- и п- флуктуации на границах зерен и в поликристаллах, электро-стимулированного изменения сопротивления в поликристаллах при высоких уровнях легирования, закономерности поведения шума в биполярных транзисторах. Что касается тех результатов, которые впервьа были получены в этой работе: зависимость интенсивности флуктуаци! напряжения на границах зерен от электрического поля, приложенногс к границам; корреляция поведения низкочастотного 1/Т-шума, времен! жизни неосновных носителей и прочности слоев поликристаллически? образцов; проявление шума туннельного типа на границах зерен и е поликристаллах; обнаружение шумовой активности электрически пассивных границ зерен; электростимулированные изменения сопротивления и шума поликристаллических образцов в широком диапазоне уровней легирования; закономерности проявления шума квазинейтрального эмиттера биполярных транзисторов в шуме эмиттерного и коллекторного тока, логично следуют из всего комплекса шумовых и электрофизических исследований, проведенных в этой работе, а также из привлеченных для их обьяснения результатов теоретических и экспериментальных работ, выполненных в ведущих отечественных и зарубежных научных заведениях.

Публикации по теме диссертации. В диссертации отражены результаты, изложенные в 41 научных публикациях и 8 авторских свидетельствах автора .

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы

докладывались на Всесоюзной конференции "Физические процессы в гетеропереходах" (Кишинев,1974г.)., V Европейской конференции по проблемам исследования твердотельных приборов (Франция, Гренобль, 1975г.), IV Всесоюзном совещании "Физика, химия и технологические применения полупроводников АгВ6 (Одесса,1976г.), IX Международном симпозиуме по детекторам фотонов (Венгрия, Вышеград, 1980г.), II Всесоюзной конференции "Структура и физические свойства границ зерен в металлах и полупроводниках" (Воронеж,1987г.), II, IV, V, VI Всесоюзных международных конференциях "Флуктуационные явления в физических системах" (Вильнюс, 1979г., Пущино, 1985г., Паланга, 1988. 1991 г.г.), на заседаниях Всесоюзной научно-технической шко-

лы "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах" (Москва, 1989г., 1993г., Черноголовка, 1990г.), на XII Всесоюзной конференции по физике полупроводников (Киев, 1990г.), на VII Международной конференции "Микроэлектроника-90" (Минск, 1990г.), на Второй научной сессии Научного Общества им. Т.Г. Шевченко (Львов 1991г..), на Международной конференции "Микроэлек-троника'92" (Варшава, 1992г.), семинарах в Институте физики полупроводников АН Украины (Киев. 1973-1994 гг.), IV Международной конференции "Физика и технология тонких пленок" (Ивано-Фран-ковск,1993 ).

Структура и обьем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, приложений и списка литературы, содержащего 288 наименований. Диссертация изложена на 344 стр., включая машинописный текст, 83 рисунка и 5 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во вступлении обоснована актуальность темы диссертации, изложены ее цель, новизна, практическая ценность, а также основные научные положения, которые выносятся на защиту, приведены данные, касающиеся апробации работы и ее основных материалов.

В главе 1 описаны результаты влияния характерных особенностей границ зерен на основные свойства поликристаллов, что обусловливает их отличие от монокристаллических полупроводников. Это связано с одним из нескольких перечисленных далее факторов (или несколькими вместе): образованием на границах зерен механически деформированных слоев, сегрегацией примесей, созданием на границах раздела ловушек, которые служат центрами прилипания и рекомбинации свободных носителей, а захват носителей на центры, расположенные на границах зерен, приводит к возникновению слоев пространственого заряда.

В рамках модели стенки дислокаций, расположенных на расстояниях h друг от друга по оси "у", установлены такие изменения зонной структуры поликристаллов по сравнению с монокристаллическим материалом: вследствие механической деформации полупроводника в области границы зерна вдалеке ( по оси "х") от границы влияние деформации таково, что дно зоны проводимости (Ес) сдвигается вниз, а вершина валентной зоны (Еу) - вверх, и, таким образом, ширина запрещенной зоны оказывается меньше, чем у недеформированного кремния. Поблизости границы зерна (X = x/h s 1) ширина запрещенной зоны может как увеличиться, так и уменьшиться, что определяется, в

основном, изменением характеристик валентной зоны:

где и- коэффициент Пуассона, Ь- величина вектора Бюргерса дислок ции, Е , г , с, <1 - константы деформационного потенциала. В кре

и <1

нии значения этих констант таковы, что в последней формуле втор слагаемое больше первого в 5-7 раз, что может привести к появлен "ям" и "горбов" в структуре зон. Таким образом, удалось показат что вследствие механической деформации поблизости границы зер может возникнуть достаточно сложный несимметричный профиль зон.

Далее проанализованы известные сведения о создании потенц альных барьеров запорного типа на границах зерен и рассчитаны п раметры обогащенного слоя поблизости границы, а также величи диффузионной длины неосновных носителей вблизи такого слоя. Пок зано, что дифузионная длина в поликристаллическом материале ее такая величина, которая зависит от условий наблюдения и может бы намного больше размера зерен поликристаллов (1:

.и

ь .= с1-> а, з )

диф (ас1)«'-г

ХкТ

где Ьд=

ХкТ

дебаевская длина, а=-, р - концен'

пе2Мз 0

2ле2р

рация дырок в квазинейтральной области, N - поверхностная пло1

ность заряда на границе, а неравенство ( 3 ) получено при- услов]

ас! , -«1.

Ьд

Впервые рассмотрен фотомагнитный эффект в поликристаллах показано, что при больших значениях коэффициента диффузии носит! лей заряда и малой скорости рекомбинации носителей на границах р; здела зерен эффективная диффузионная длина неосновных носител< может стать намного больше, чем размер зерен. В противоположи« случае эффективная диффузионная длина оказывается порядка размере зерен. Получены числовые соотношения между эффективной диффузио! ной длиной неосновных носителей в поликристаллических образцах диффузионной длиной в монокристаллическом материале при тех же ус ловиях наблюдения фотомагнитного эффекта, что позволяет теперь т

терпретировать результаты его измерения для определения характерных параметров поликристаллического полупроводника.

Переходя от особенностей границ зерен, связанных с поведением свободных и захваченных носителей заряда, к особенностям поведения примесей на участках границ зерен, удалось предложить оригинальную модель ускоренной диффузии примесей в высоколегированных полупроводниках и на границах зерен. Увеличение скорости диффузии обьясняется изменением статистики заряженных частиц в сильнолегированных полупроводниках и границах зерен при высокой концентрации примесей в них, когда N/1^ > 1, где N. N - концентрация примесей и плотность состояний в зоне проводимости соответственно. Это приводит к возникновению в области границ зерен электрического поля, которое существенно ускоряет диффузию. Показано, что дрейфовый поток ,]др ионизированных атомов примесей описывается таким соотношением:

.¡др= (п/6)1/3(Н/Мс)2'30о?Н. ( 4 )

Таким образом, учет вырождения позволяет обьясняет нелинейность диффузии, когда коэффициент диффузии Р сильно зависит от концентрации примеси И: 0(N)"Ы2"'3. Это намного много лучше отвечает известным экспериментальным данным, чем выводы других распространенных аналитических моделей, что, однако, не исключает их справедливости .

Далее в этой главе рассмотрены известные на время начала работы сведения об исследовании токового шума поликристаллов кремния и прменение модели флуктуации подвижности для обьяснения обнаруженной зависимости уровня 1/£-шума от концентрации легирующей примеси в поликристаллах. После выяснения некорректности применения модели к некоторым из приведенных экспериментальных результатов сделан вывод, что до этого времени при рассмотрения проблемы шума поликристаллов полупроводников совсем опускалась возможность существования шумов туннельных токов на границах зерен.

Анализ литературных источников позволил заключить, что в р-п гомо - и гетеропереходах на основе поликристаллического кремния низкочастотный шум вообще не исследован, а для транзисторных структур с поликристаллическим эмиттером известна лишь одна работа, в которой было обращено внимание на шум поликристаллического эмиттера.

Последующее описание методики проведения исследования шумовых характеристик границ зерен кремния, выполненное в этой главе, завершается определением точности результатов измерения, которая для избранной методики измерения шума способом сравнения при выбраных для проведения работы приборах, была не хуже 12%.

В главе 2 приведены результаты выполненного комплексного исследования шума границ зерен, изготовленных по различным технологиям: по методам Чохральского, Степанова, полученных способом диффузионного сращивания. Образцы были приготовлены в виде структур с зондами, на которых и было проведено исследование основных электрических характеристик: зависимости сопротивления образцов, концентрации и подвижности носителей заряда в них от температуры, определение высоты потенциальных барьеров на границах зерен. Исследование электрических характеристик позволило разделить образцы на электрически активные - в них существовал потенциальний барьер на границах зерен, и на электрически пассивные - в них не было обнаружено существование потенциального барьера на границах зерен. По результатам структурного исследования образцов были определены параметры границ зерен с использованием понятий модели совпадающих узлов. В первом случае ( наличие потенциального барьера) образцы принадлежали к границам зерен £ 9,11. во втором (отсутствие барьера) -к классу £ 3, но во втором случае электронномикроскопичес-кие исследования показали существование 2-5-микронного слоя деформированной области вблизи границ зерен.

Применение зондовой методики и выбор электрических режимов исследования позволили избавиться от контактных шумов. Установлены такие основные характеристики низкочастотного шума границ зерен.

В электрически активных границах зерен, выращенных по методу Степанова, избыточный шум был связан именно с границей раздела зерна и в области низких частот спектр шума был по форме близким к лоренцовскому, но величина его оказалась намного больше уровня шума, который отвечал бы флуктуациям процесса захвата носителей на дискретный уровень ловушки, расположенной на границе зерна. С увеличением частоты форма спектра шума изменялась на 1/£-тип. Предполагая, что, как и в случае границы раздела кремний - оксид кремния. потенциальный барьер на границе зерна неоднороден в пространстве, удалось обьяснить высокий уровень и специфическую форму спе-

ктра избыточного шума. При этом использовали модель "транзистора на ловушках", то есть известную модель модуляции большого надба-рьерного тока малым током захвата носителей на ловушки , что изменяет зарядовое состояние ловушек и, следовательно, высоту потенциального барьера на границе зерна.

По величине шума и форме его спектра (П рассчитаны параметры ловушек , ответственных таким образом за модуляцию высоты потенциального барьера: их концентрация Ньв, сечение захвата Б , постоянная времени релаксации т , а также стандартное отклонение (^значения высоты потенциального барьера от среднего значения высоты "Т.в , то есть степень неоднородности потенциального барьера, поскольку в рамках "транзисторной модели" найдена связь между Б ({) и этими параметрами ловушек:

2кТдгМ Б (Г) = св

Сг2п£ А( 2тт2)1/гП

и2

2а

1п [1+Пгехр(2из)1

- ехр К~т - и.) ^ ■ < 5 >

Б

где и5= д/кТ ( Чсв -Т^),

П = 2пГГ, П ехриз= 2п£х.

Сравнение плотностей зернограничных состояний от энергии -И, (Е), рассчитанных по результатам измерений электрических харак-

С В

теристик и шума, показало, что в шумовых процессах принимает участие намного больше зернограничных состояний, чем в процессах образования потенциального барьера на границе зерна. Обнаружено, что во всех типах электрически активных границ зерен величина сечения захвата ловушек, изменение заселенности которых определяет величину 1/£-шума, зависит от напряжения, прилагаемого к границе зерна, как это было отмечено для границ зерен, выращенных по Чохральско-му, в работах, выполненных в Институте им. Макса Планка, Германия, результаты которых были опубликованы раньше результатов этой работы. Кроме того, в исследованиях, проведенных по теме этой диссертации, было обнаружено, что шум-вольтовая зависимость активных границ зерен "переламливается" при небольших ( У=-0,1 В) смещениях.

К сожалению, в работах предшественников зависимость сечения захвата от напряжения не смогли обьяснить, а на "перелом" шум-вольтово» зависимости не обратили внимание.

В границах зерен, выращенных по методу Чохральского, обнаружен избыточный шум, спектры которого имели как протяженные участк! 1/£-типа, так и изгибы, которые характерны для генерационно - ре-комбинационных шумов. Таким образом, можно было полагать, что особенности спектров шума отвечали механизму модуляции высоты потенциального барьера суперпозицией нескольких ловушек разной глубинь и высокой концентрации на фоне шума континиума ловушек низкой концентрации. Смоделированные температурные зависимости величины шумг в случаях флуктуации подвижности носителей и флуктуаций заселенности ловушек, расположенных на границе зерна, показали, что именнс по температурной зависимости можно было бы дискриминировать механизмы ц- и п-шума. Исследования температурного поведения избыточного шума границ зерен позволили однозначно установить, что в границах зерен, выращенных по методу Чохральского и изученных в это£ работе, реализуется именно суперпозиция нескольких шумовых процессов, связанных с флуктуациями заселенности ловушек на границе зерна .

Проявление эффекта изменения наклона шум-вольтовых зависимостей в разных типах границ зерен заставило искать общую причину этого явления. В результате удалось предложить его модель, которая состоит в учете влияние потоков обмена зернограничных ловушек носителями с правым ( г ) и левым ( 1 ) зернами, что влияет на величину функции заполнения Г ловушек, и, таким образом, на шум границы зерна. С использование кинетических уравнений было получено:

К п + К п

[ *-Ш--, ( б )

1о Кп+Кп+К+К

111 г I г II I г

где п1 - концентрация носителей слева и справа от границы соответственно, К^и К^- кинетические коэффициенты захвата носителе? заряда на ловушки, К^ и К^^- кинетические коэффициенты эмиссиь носителей с ловушки в зону, зависящие от напряжения. Показано, чтс изменения кинетических коэффициентов вследствие нарушения равновесия при приложении напряжения к границе могут привести к изменениям Г по сравнению с ее равновесным значением. Исходя из того, чтс

величина шума пропорциональна произведению , определив

значение отношения величины на начальном участке шум-вольтовой зависимости,где ее можно было бы экстраполировать зависимостью Б^с* V2, к экспериментально наблюдаемой при данном напряжении величине и определив И^Е), при данном положении уровня Ферми, можно установить характер изменения £ Расчет по этой модели продемонстрировал хорошое совпадение с результатами эксперимента: зависимость функции заполнения ловушек от электрического напряжения, рассчитанная по этой модели, оказалась такой же, как и зависимость функции заполнения, рассчитанная по результатам шумовых измерений.

Протекание тока вдоль границ зерен также сопровождается возникновением избыточного шума, хоть величина его оказалась меньше, чем в случае прохождения тока перпендикулярно к границе раздела. Причина возникновения 1/£-шума состоит в модуляции величины тока и поперечного сечения нейтральной области полупроводника, по которой он проходит, процессом захвата носителей на зернограничные ловушки и модуляцией ширины потенциального барьера на границе зерна.

При изучении всех типов границ зерен, на которых не существовало потенциальных барьеров, удалось установить, что электрически пассивные границы зерен, которые по уровню сопротивления, а также по характеристикам его температурного поведения абсолютно не отличалсь от материала зерна, демонстрируют намного более высокий уровень 1/£-шума, чем это присуще материалу зерна.

Исследование шума электрически нейтральных границ зерен, полученных методом диффузионного сращивания под давлением, продемонстрировало, что отсутствие потенциального барьера на границах зерен не препятствует генерации достаточно большого 1/£-шума на таких границах, что, имея в виду установленную нами повышенную шумовую активность электрически нейтральных границ зерен, уже не вызывает удивления. В то же время, непонятной оставалась причина этого явления. Для того, чтоб получить дополнительную информацию для прояснения вопросов относительно этой проблемы, были проанализированы шумовые характеристики омических контактов к полупроводнику. Для этого были выбраны структуры на основе сульфида цинка. Длительное время создать омические контакти к таким структурам не удавалось. Причиной этого была, по-видимому, малая величина электронного сродства низкоомного сульфида цинка, вследствие чего даже

материалы с достаточно небольшой работой выхода создают к не контакты, которые характеризуются значительной высотой потенциал ного барьера, и, следовательно, большим сопротивлением. Создан низкоомных омических контактов практически открыло путь к разр ботке в Институте полупроводников АН Украины голубых светодиод на основе контактов металл - сульфид цинка, шумовые свойства кот^ рых исследованы в главе 3.

Оказалось, что токовые шумы в образцах омических контакт! были избыточными типа 1/Г, причем между их шумовыми характерист; ками и сопротивлением удалось найти тесную взаимосвязь: урове; шума в контактах с большим контактным сопротивлением всег,

оказывался большим; ступенчатое повышение , которое происходи, при понижении температуры, сопровождалось ростом Б , причем кажд* ступеньке на кривой 1МТ) отвечал "всплеск" зависимости Б^Т). П( следнее позволило, учитывая, что максимумы на кривых Б^Т) об; словлены, очевидно, сменой заселенности уровней на подконтактн* поверхности, происходящей при смене температуры, допустить, ч1 большое Ис обусловлено наличием на поверхности уровней акцептора го типа. Сравнение зависимости уровня 1/£-шума контактов от темп! ратуры с температурной зависимостью контактного сопротивления да. возможность сделать вывод о том, что уровень контактных шумов пр| порционален величине контактного сопротивления , что, как удало! показать, легко обьяснить туннельным характером тока в облас контакта. На основе всего приведеного выше сделан вывод о том, ч' на омическом контакте к низкоомному сульфиду цинка также существ; ет некоторый (очевидно) небольшой барьер, а омичность объясняем его достаточной прозрачностью.

Продолжение исследований 1/Г-шума нейтральних искусственн! границ зерен позволило установить, что в таких обьектах отсутств; ет шум, связанный с барьерным механизмом преодоления носителя! области границ зерен, а также фононным механизмом рассеяния нос телей в этой области. На основе анализа температурной зависимое подвижности и шума доказано,.что его причина - флуктуации процес рассеяния.носителей заряда на дефектах нейтральной деформирована области, расположенной вокруг границы зерна.

В главе 3 изучен шум поликристаллических слоев кремния, т лученных методом газофазного осаждения и легированных ионной им

лантацией бора в диапазоне концентраций 2 1017-2 102осм~3. Образцы для исследований были изготовлены в виде резисторов с несколькими зондовыми контактами. По температурным зависимостям сопротивления резисторов разных уровней легирования были определены высоты потенциальных барьеров на границах зерен и установлена зависимость высот потенциального барьера от уровня легирования поликристаллов. По результатам измерения сопротивления, вольтамперных характеристик были рассчитаны величины плотности зернограничных состояний в резисторах и было доказано, что с ростом уровня легирования во всем исследованном диапазоне концентраций N растет от 7 1011 до 5 1012 эВ"1см"г и уменьшается по мере приближения к середине запрещенной зоны при одном уровне концентрации.

Шум всех изученных резисторов был избыточным типа 1/{ вплоть до частоты 10 кГц и тока 10~3А. При всех прочих равных условиях шум был тем больше, чем меньшим был уровень легирования пленки. По шумовым данным было рассчитано распределение плотности зернограничных состояний по энергии в рамках модифицированной модели подвижности путем составления и решения системы уравнений, связывающих шум Б (П, постоянную Хоуге <*н и падения напряжений на левой \ и правой V кчастях области пространственного заряда на границе раздела зерна площади А с концентрациями примеси в зернах N , ловушек на границе N и высотой зернограничного барьера V

с в

Б (Г)ЗкТАЫ сс £ , аЛ , ^г -V ) ,

(Ч1)г<х

, ^(У +4 К

+ (V +У ) ехр " » ■ ( 7 )

н

4= (V )-И

I. и св

Было проведено сравнение этого распределения с данными," полученными из измерений сопротивления и вольтамперных характеристик. Интересно отметить, что одновременно с подтверждением общего характера зависимости N (Е). было показано, что исходя из анализа шумовых характеристик,величина N оказывается намного больше, чем, по результатам измерения электрических характеристик, что стало подтверждением обнаруженной в этой работе и описанной в предыдущей

главе повышенной по сравнению с материалом зерен шумовой активности границ зерен даже в тех случаях,когда в электрических характеристиках ( высота потенциального барьера и т.д.) электрической активности границ зерен не отмечается. Таким образом, в поликремниевых резисторах низкого уровня легирования все экспериментальные результаты хорошо согласуются с результатами, предсказываемыми моделью флуктуации подвижности, если в ней учесть влияние модуляции заселенности зернограничных остояний, которая изменяется под влиянием тока. Но при более высоких уровнях легирования расхождения между экспериментом и моделью были настолько большими, что это требовало кардинального изменения подхода в интерпретации данных. Логично было искать решение задачи на пути исследования типичных физических изменений, которые происходят в потенциальных барьерах при увеличении уровня легирования полупроводника. Наиболее характерным изменением при этом есть увеличение относительной роли тун-нелирования и, сответственно, уменьшения относительной роли термоэмиссии в определении общего тока через потенциальный барьер. Для того, чтобы иметь достаточно веские аргументы для определения влияния на шум этого эффекта, было обращено внимание на результаты проведенного в этой работе исследования шума туннельных токов контактов металл-полупроводник на основе сульфида цинка.

Был исследован 1/Г-шум, возникающий при прохождении прямых туннельных токов, протекание которых вызывало эффективную голубую электролюминесценцию в контактах золото - сульфид цинка. На основе совпадения уровня таких шумов и шумов эдс холостого хода, которые возникают при освещении контактов, сделан вывод о том, чтс 1/Г-шумы сопровождают процесс протекания прямого тока сквозь контакты. Отсутствие видимой температурной зависимости шумов при постоянных токах позволило установить, что 1/Г-шум сопровождает туннельный ток основных носителей. Совместный анализ шумовых и электрических характеристик контактов позволил ответить на вопрос оС источнике шума, которым оказались флуктуации заселенности центрон на контактной поверхности потенциальных барьеров. Экстремумы в токовой зависимости шума появляются в том случае, когда передвижение уровня Ферми при электрическом смещении контактов приводило к выключению активно шумящих центров из процесса генерации шума. Температурные зависимости положения этих экстремумов полностью соответ-

ствовали высказанным предположениям о механизме генерации обнаруженных 1/£-шумов в контактах металл - полупроводник. Смоделирована токовая зависимость 1/Т-шума, который сопровождает ток в контакте металл- тонкий диэлектрик- полупроводник и связан с флуктуациями параметров ловушек на границе раздела. Использование установленных из вольтамперных и вольтфарадных характеристик параметров каждой части структуры, позволило показать хорошее согласование экспериментальных данных со свойствами модели.

Далее была смоделирована температурная зависимость избыточного шума, который сопровождал бы термоэмиссионные токи через потенциальный барьер. Сравнение этой зависимости с экспериментальными данными для поликристалличесних пленок высоких уровней легирования показывало, что для объяснения зависимостей, которые наблюдали в эксперименте, необходимо привлекать понятия о шуме туннельных токов. Температурные зависимости шума в образцах разного уровня легирования демонстрировали последовательное изменение характера шума: если при низких уровнях легирования шум сопровождал термоэмиссионный ток, то при высоких - туннельный. Изменение температурных зависимостей сопротивления в этом диапазоне уровней легирования образцов поликремниевых резисторов полностью подтверждало сделанные предположения.

В поликристаллических резисторах, изученых в этой работе, была обнаружена возможность токового регулирования величины сопротивления во всем диапазоне концентраций 3 10,7-2 10госм"3 путем пропускания через них токов, плотность которых больше, чем 104А/см2. После электрического воздействия, которое приводило, как правило, к 15-50% уменьшению сопротивления, новое значенние сопротивления резистора сохранялось так долго, пока не пропускали через резистор такой же большой ток. Никакими ранее предложенными моделями изменения сопротивления, которые опирались на возможность расплавления границ зерен, обнаруженные в этой работе факты изменения сопротивления не могли быть обьяснены. Тем более, что в ходе этой работы было установлено, что изменение полярности импульсов регулирующего напряжения приводило к обратному ходу процесса регулирования : сначала сопротивление возрастало вплоть до достижения значений, близких к исходным, после чего рост останавливался, а затем вновь сопротивление уменьшалось при поддержке одного и того

же значения величины регулирующих импульсов напряжения. Это позв! лило предположить, что основным фактором, который определял обн; ружейный в этой работе эффект, есть электрическое состояние гран! цы зерна и среды, которая окружает границу зерна. При учете широ! известного факта ускорения процесса диффузии примесей и, приним; во внимание приведенную в главе 1 причину этого, было предполож! но, что причиной изменения сопротивления поликристаллических рез: сторов есть процесс электростимулированного изменения зарядово! состояния и местоположения ловушек, существование которых обусло! ливает формирование потенциального барьера на границах зерен, I следовательно, величины сопротивления резисторов.

Изучение 1/£-шума показало, что изменение сопротивления рез! сторов сопровождается таким изменением шума: при малых уровнях л( гирования уменьшение сопротивления приводит к появлению признаке "тунельн^ого " механизма генерации шума, а изменение величины с< противления в обратном направлении вызывает возвращение характер! стик шума к прежнему виду. Изменение сопротивления резисторов ад( кватно отвечало изменению высоты потенциального барьера на гран! цах зерен, а поведение шума следовало в пределах экспериментальнс ошибки за ходом сопротивления таким образом, как это было и п; изменении легирования пленок.

При высоких уровнях легирования изменение сопротивления гр; ниц, на которых при этих условиях отсутствуют потенциальные бары ры, происходило за счет изменения подвижности носителей, которс определялось в данных образцах изменением упорядоченности дефект ных областей границ раздела вследствие электродиффузионных процес сов в этих областях, на что указывали изменения величины и темп< ратурной зависимости избыточного 1/£-шума.

В главе 4, продолжая последовательное изучение влияния реко» бинационных особенностей границ зерен на характеристики поликрис таллического полупроводника, рассчитана модель освещенного р-п п« рехода на основе поликристалла. Была рассчитана вольтамперная хе рактеристика освещенного образца в условиях сильной рекомбинацу на границах зерен и показано, что при таких условиях естествен считать эффективную диффузионную длину носителей равной по порядь величины размеру зерна. В то же время, существуют. . носители, которые инжектируются или генерируются светом на разном рассто*

нии X от границы зерна, проходят по оси У до своей гибели расстояния порядка X, то есть их диффузионная длина составляет величину порядка X. При суммировании вкладов в ток от всех электронов возникает логарифмическая расходимость вблизи границы из-за того, что плотность тока обратно пропорциональна диффузионной длине. Проведен точный расчет, который позволяет устранить такую расходимость, и отмечено, что понятие "диффузионная длина" в поликристаллах требует достаточно корректного использования. Учет этого позволил продемонстрировать, что рекомбинация на границах зерен может существенно влиять на характеристики фотопреобразователя даже при больших зернах.

Исследовано влияние на характеристики фотопреобразователей формы контактной сетки путем расчета характеристик известных из теории симметрии сеток Шубникова-Лавеса. Для каждого типа сеток были рассчитаны потери электрической энергии, связанные с сопротивлением растекания и затенением частей поверхности фотопреобразователя контактными полосками. По результатам исследования была выбрана форма сетки, которая обеспечивала 7% преимущество перед другими, учитывая и традиционную сетку в виде гребенки.

Были изготовлены фотопреобразователи на основе поликристаллических пластин с различным размером зерен, в качестве выпрямляющего контакта использовали контакты металл-полупроводник, диффузионные р-п переходы, прозрачные гетеропереходы на основе оксидов индия и олова (1Т0). На основе сопоставления экспериментальных данных и результатов анализа эквивалентной шумовой схемы диода было установлено, 'что 1/£-шум, который сопровождал протекание прямого тока в таких структурах, связан при малых смещениях с модуляцией параметров узких мест в потенциальном барьере, локализованных на участках границ зерен, а при больших смещениях, когда потенциальный барьер разогнут, с шумом границ зерен в нейтральной области диодов. Впервые проведенные зондовые измерения коэффициента корреляции шума общего тока через диод, тока в области базы и потенциального барьера позволили подтвердить этот вывод.

Учитывая, что установленное влияние ловушек, расположенных на границах зерен, может быть существенным и для гетеропереходов разного типа, были экспериментально изучены шумовые характеристики гетероперехода 2пЗе-СаЛз, который по электрическим характеристикам

считали "идеальным". Было установлено, что.изменение заселенно! лоаушек на границе раздела гетероперехода под влиянием света напряжения приводит как к увеличению туннельных токов через ге: ропереход, так и величины шумов, которые их сопровождают, а та! к возникновению нового источника шумов - флуктуации процесов з; вата фотодырок на граничные ловушки.

В гетеропереходах НО- кремний был обнаружен 1/Г-шум с таю же свойствами, как и в предыдущем случае. Увеличение напряже! приводило к появлению перелома шум-вольтовой зависимости, как и случае границ зерен. Увеличение толщины диэлектрического слоя тех пределов, пока это не начинало ограничивать ток, приводило интенсификации эффекта перелома шум-вольтовой зависимости, что з рошо укладывалось в предложенную для границ зерен в главе 2 эт диссертации модель влияния функции заполнения ловушек на велич! 1/£-шума, связанного с модуляцией высоты потенциального барьера границе раздела.

Впервые было выполнено комплексное изучение шумовых и реке бинационных характеристик пластин поликристаллического кремн> Для того, чтобы иметь возможность рассчитывать по результатам I мерения фотомагнитного эффекта малые времена жизни неосновных I сителей, характерные для поликристаллического кремния, была \ пользована разработанная в главе 1 методика расчета фотомагнитне эффекта, и, кроме того, сконструирована установка для измере! малых времен жизни неосновных носителей методом инжикции из точ< ного контакта. Были изучены поликристаллические слои с разме) зерен от 0.1 мкм до 1 см. Удалось обнаружить существование кор[ ляции между величиной 1/Г-шума и временем жизни неосновных но( телей в поликристаллах кремния: большая величина 1/Г-шума соотв! ствовала меньшему времени жизни, шум падал с увеличением разм< зерен, время жизни при этом увеличивалось. Установлено^тоаналоги1 соотношению Хоуге, применяемому для монокристаллических образц< в случае поликристаллов, исследованных в этой работе, можно за1 сать:

З.Ш . «т ( 8 )

где а = 3-4 10"' 'с"1 в диапазоне размеров зерен с! = 10 4-10~3< а при с! > 10~3см величина а - (с) - 0,1см)и. Отметим, что суще!

вование минимума ат при d a 0,1 см никак не связано с поведением подвижности, минимум зависимости которой при уровне легирования исследованных образцов лежал в области 0,001 см. Физической причиной обнаруженной связи S( и т является, конечно же, зависимость механизма и уровня шумов от структурных и электрических свойств границ зерен, которые обуславливают практически все особенности протекания физических процессов в поликристаллах при этом уровне легирования. Очевидно, эти результаты указывают на существование глубинной связи между механизмом генерации l/f-шума и процессами пострекомбинационной релаксации кристаллической решетки полупроводника. Для проверки предположения, что в этом случае должна существовать связь между величиной l/f-шума и определенным параметром, который характеризовал бы степень различия состояния кристаллической решетки, была изучена механическая прочность поликристаллов с разным размером зерен. Удалось установить, что величина механической нагрузки, при которой происходило разрушение пластины поликристалла, полностью коррелировала с величиной l/f-шума: чем больше был шум, тем при меньших нагрузках разрушался поликристалл. Установленная корреляция шума, рекомбинационных и прочностных характеристик поликристаллов открыла новую сторону фундаментальных связей механизма генерации избыточного шума в поликристаллах с наличием в них границ зерен, чувствительных к возбуждениям.

В главе 5 изучен низкочастотный шум биполярных кремниевых транзисторов с поликристаллическими пленками в области эмиттера. <ак известно, интерес к использованию таких пленок в эмиттерах би-юлярных транзисторов исторически возник из-за технологических /добств, которые свойственны использованию сильнолегированных по-пикремниевых пленок как источников легирующей примеси для создания эмиттерного р-п перехода. Однако создание таких многослойных структур в эмиттере привело к неожиданному и большому возрастанию коэффициента усиления транзисторов по току, что, возможно, было :вязано с гетеропереходным эффектом в эмиттере.

Для исследований шума структур с поликремниевыми эмиттерами в »той работе были созданы пленки поликристалического кремния и JIP0S (semiinsulating polycrystal1 ine silicon), которые наносили ia поверхность эмиттера биполярных транзисторов. Изучение спектров >птического отражения пленок SIPOS с разным содержанием кислорода

позволило обнаружить изменения зонной структуры этих пленок сравнению с зонной структурой монокристаллического кремния. Т, образом, это давало основание надеяться на проявление гетерош ходного эффекта и значительное увеличение токового коэффици! усиления <3 транзисторов но сравнению со структурами без пле: Действительно, в изготовленных структурах (3 выросло значител] 13*300, в то же время без 51Р05-слоев структуры имели намного М1 ший коэффициент усиления - /9з 100.

Были изучены вольтамперные и вольтфарадные характерис транзисторов, в поведении которых были обнаружены отличия от х; ктеристик транзисторов без поликристаллических слоев. Во-пер] напряжение отсечки вольтфарадной характерики (зависимость квад] обратной емкости от напряжения) эмиттера намного превышало зн; ние диффузионного потенциала р-п перехода, а, во-вторых, при м; обратных смещениях в вольтфарадной характеристике наблюда. участки плавного изменения наклона. Характеризуя границу раз, поликремний - монокремний отдельной емкостью и сопротивлен! удалось обьяснить эти особенности вольтфарадных характеристик, применив специально для этого разработанную методику обработки зультатов, не только определить величину этой емкости, но и ее висимость от напряжения. Причина существования такой емкости -копление заряда в разупорядоченных участках границы монокрем] поликремний, существование которых обнаружено во многих работа:

Давняя проблема определения последовательного сопротивл! квазинейтрального эмиттера нашла новое развитие в ходе этой р; ты. Был предложен новый способ определения этого важного парам! транзистора, снимавший противоречия, казавшиеся непреодолимыми нее. Метод был основан на измерении импеданса транзистора, нах! щегося в режиме насыщения, а его коллектор разомкнут по постоя! му току.

Была проанализирована эквивалентная шумовая схема биполяр] транзистора и сделаны выоды о возможности ее применения к об] цам, исследованным в этой работе. Измерения спектров шума в р^ мах холостого хода и короткого замыкания по переменному сигнал; входе транзистора позволило установить, что в режиме холостого да 1/Г-шум коллекторного тока определяется усиленным шумом ■ базы, связанным с флуктуациями подвижности носителей, диффунди|

их в области квазинейтрального эмиттера. Отмечено, что сверхли-гйная токовая зависимость этого шума может быть частично обуслов-гна влиянием встроенного в квазинейтралыше участки электричес-эго поля, возникающего из-за неравномерного распределения леги-,гющей примеси. При коротком замыкании по переменному сигналу вхо-1 транзистора шум тока коллектора оказывается намного меньше, ззникновение такого шума сопровождает процесс модуляции толщины зазинейтральной базы.

Разработан для транзисторных структур и применен к транзисто-1м с поликристаллическим эмиттером метод определения шума квази->йтрального эмиттера Б . На основе малосигнальной шумовой схемы >анзистора установлено, что

2 = + 5 I2 , ( 9 )

УСЕ5 I Ч ; 1С* Ве В '

[е ЗусЕ5 и - спектральные плотности флуктуаций напряжения на-пцения транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером при (ллекторе, разомкнутом по постоянному току, и инверсного коэффи-[ента передачи <х( тока I в схеме с общей базой. Таким образом, меряя и определяя , удалось открыть возможность уста-

рения степени влияния шума квазинейтрального эмиттера Б на щий шум тока коллектора Б^. Проведенные опыты показали, что в ликристаллических эмиттерах специфика структуры эмиттера практи-ски не влияет на шум колекторного тока.

Развивая тему исследования шумовых свойств биполярных транзи-оров со сложной структурой эмиттера, удалось подробно изучить ойства фототранзистора на основе структур СаЛз-А1><Са1 Лэ. На астке достаточно низких частот в фототранзисторах обнаружена мпонента шума. Для установления ее природы исследовались и авнивались величины шума в разных режимах работы структуры, а кже поведение дифференциальной проводимости. Установлено, что шающим фактором, который обуславливает уровень 1/Г-шума, есть личина проводимости, несмотря на то, сочетанием каких факторов он, свет, смещение) она задается. Показано, что это возможно лько в случае, когда рассматриваемый шум возникает на участке иттерного перехода.

Определены пороговые характеристики фототранзисторов в ши ком диапазоне фоновых подсветок Ь, сопротивлений нагрузки И, ра чих напряжений V, частот i. Показано, что в широком диапазоне величина обнаружительной способности таких фототранзисторов мо достигать достаточно больших величин 4 1013Вт"'Гц1/г, определ оптимальные значения V и И. Установлено, что на участке низких стот пороговые характеристики исследованных фототранзисторов оп деляются шумовыми свойствами эмиттерного перехода.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Основные выводы диссертации были, в сущности, приведены ра] в предыдущих разделах, поэтому сейчас есть возможность сформули] вать их в более общей виде:

1. Комплексное исследование низкочастотного шума тока и эл( трических характеристик границ раздела зерен поликристаллическ! кремния позволило установить причины и закономерности поведе! низкочастотного шума в таких системах, причем впервые было обна] жено:

1.1.Изменение закона роста избыточного шума границ разд( зерен, которое приводит к излому шум-вольтовой зависимости при 1 зрастании напряжения, приложенного к границе раздела зерна, ' обусловлено изменением заселенности граничных состояний под инт( ральным влиянием как прямо - так и обратносмещенной области про< ранственного заряда, окружающего границу раздела.

1.2. Температурную стабильность 1/£-шума поликристалличес! слоев при относительно высоких уровнях их легирования, что сви; тельствует о существенной роли процессов туннелирования в проце< генерации 1/Г-шума в потенциальных барьерах, окружающих граш зерен.

1.3.Корреляцию между величиной 1Л шума, временем жизни не< новных носителей заряда и механической прочностью поликристал: ческих образцов, и также зависимость этих величин от размеров : рен и их рекомбинационных особенностей, и, таким образом, про; монстрирована глубинная связь между механизмом образования 1, шума и состоянием кристаллической решетки поликристалла, в том « еле характером его пострекомбинационных релаксаций.

1.4. Возникновение низкочастотного шума, сопровождающего протекание тока сквозь потенциальные барьеры границ зерен обусловлено модуляцией высоты барьеров процессом изменения зарядового состояния ловушек, расположенных на границах, и (или) флуктуацией подвижности носителей заряда в области пространственного заряда границ зерен. Прохождение тока параллельно границам зерен с потенциальными барьерами на них вызывает генерацию избыточного шума вследствие захвата носителей на ловушки, расположенные на границах раздела, и модуляцию из-за этого тока за счет изменения количества носителей а также перекрытие нейтрального полупроводникового канала, по которому идет ток, вследствие модуляции ширины потенциального барьера границы зерна.

1.5. Возникновение избыточного шума на границах зерен без потенциальных барьеров на них, но со слоями деформированного кремния вокруг границ, связано с процессами флуктуации подвижности в дефо-рмованных областях, о чем свидетельствует специфическая температурная зависимость шума таких границ.

2. Обнаружен факт электростимулированого изменения сопротив-лени границ зерен и поликристаллов в широком диапазоне уровней легирования 2 1017- 2 102осм ~3 при пропускании через них тока, плотность которого превышает 104 А/см2 и на основании комплексного анализа температурной зависимости шума и сопротивления поликристаллов доказано, что причиной этого явления есть электродифузион-ные процессы в области границ зерен.

3. Развиты и разработаны модели изменения энергетической структуры поликристаллов возле границ зерен, рекомбинационных процессов на границах, формирования вольтамперних характеристик в поликристаллических барьерных структурах, ускоренной диффузии в сильнолегированных полупроводниках и границах зерен.

4. Изучен низкочастотный шум структур гетеропереходов на основе гпБ, гпБе - СаАБ, НО - кремний и установлено, что 1/£-шум в таких структурах связан с модуляцией заселенности ловушек на границах раздела и флуктуациями процессов захвата носителей этими ловушками. Смоделирован шум границ раздела металл- диэлектрик -полупроводник с использованием данных изучения электрических характеристик и получено хорошее согласование теории и эксперимента. Обнаружено, что излом шум-вольтовых зависимостей происходит и в

гетеропереходах и хорошо согласуется с моделью, предложенной ; границ раздела.

5. Изучен избыточный шум в фотопреобразователях основе по. кристаллического кремния, транзисторах с поликристаллическими с. ями в области эмиттера, исследована связь шума с другими парам! рами структур, предложены схемы расчета раличных источников шум; таких структурах.

6. Разработаны конструкции фотопреобразователей,в которых ( тимизован,- ряд элементов для увеличения их эффективности, в • числе потенциальные барьеры и форма контактной сетки. Предложи конструкции гетеропереходных транзисторов, в которых предусмотр значительное увеличение их быстродействия. Созданы модели расч их характеристик, в том числе и шумовых. Разработана метод электростимулированного изменения сопротивления поликристаллич ких резисторов, за счет чего созданы интегральные схемы задер электрических сигналов с возможностью регулирования параметров кросхем в широком диапазоне времени задержки и температурных ко фициентов, которые характеризуют изменения параметров.

Приложение к диссертации включает 3 акта и один протокол питания характеристик фотопреобразователя. В последнем удостове но, что в 19В4 г. в НПО "Квант", г. Москва, испытана эффективно фотопреобразователя на основе поликристаллического кремния, с данного автором и удостоверено, что к.п.д. фотопреобразоват достигает 9Х. В акте, выданном ЗТМК, г.Запорожье, установлено, работы автора по исследованию свойств поликристаллического кр ния, выполненные в 1983-1986 г.г., использованы для создания п мышленной технологии материала для фотопреобразователей. В д актах подтверждено, что работы автора, выполненные в 1990-1 г.г., по исследованию шума транзисторов и свойств поликристал ческих резисторов внедрены в ОКБ ПО "Гамма", г.Запорожье, что звонило создать новые типы промышленно выпускаемых полупроводни вых устройств, отмечается оригинальность технических и научных шений автора.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Lukyanchikova N.B., Pekar G.S., Tkachenko N.N., Hoang Mi Shin, Sheinkman M.K. Physical Processes in Forward-Biased ZnS Schot-tky Diodes Exhibiting Effective Electroluminescence // 5th European Solid State Device Research Conf, Program & Abstracts. -France, Grenoble, 1975. - P.144-146

2. Лукьянчикова Н.Б., Ткаченко H.H., Корольков В.И., Ахмедов Ф.А. Обнаружительная способность и шумы фототранзисторов на основе гетеропереходов GaAs-Alx Gai-* As // ФТП,- 1977.-т.11,в.3. - С. 526-531.

3. Лукьянчикова Н.Б., Ткаченко М.М., Гаугаш П.В., Касьян В.А. Низкочастотный шум и особенности физических процессов в гетеропереходах n ZnSe-p GaAs // Укр.физ.ж.-1977.- т.22, в.6. -С. 902 -909.

4. Лукьянчикова Н.Б., Ткаченко Н.Н., Гаугаш П.В., Касьян В.А. Пороговые фотоприемники с высокой обнаружительной способностью на основе гетеропереходов n ZnSe-p GaAs // Радиотехника и электроника.-1977,- т.XXII, N И.-С.2392-2395.

5. Lukyanchikova N.B., Pekar G.S., Tkachenko N.N., Hoang Mi Shin and M.К.Sheinkman. Ohmic contacts to low-resistivity ZnS: preparation,noise properties and nature of contact resistance // Solid-State Electron.-1977,- v.20, P.879-882.

6. Lukyanchikova N.B., Pekar G.S., Tkachenko N.N., Hoang Mi Shin and M.K.Sheinkman. Injection electroluminescence in forward-biased ZnS metal-semiconductor diodes // Phys. Stat. Sol.(a).-1977.- v.41.-P.299-305.

7. Лукьянчикова Н.Б., Ткаченко H.H., Саченко А.В. Влияние поверхностных и обьемных уровней на высоту потенциального барьера при освещении // Фотоэлектрические явления в полупроводниках.-Киев. "Наукова Думка", 1979.-С.161.

8. Лукьянчикова Н.Б., Пекарь Г.С.,Ткаченко Н.Н., Шейнкман М.К. Токовый шум и механизм электролюминесценции инжекционных свето-диодов на основе ZnS // II Всесоюзное совещание по широкозонным полупроводникам. Тезисы докладов.-Ленинград, 1979.-С.44.

9. Мелликов Э.Я., Лукьянчикова Н.Б., Никитин А.Б., Путилин А.Б. Хийе Я.В., Варема Т.Р., Ильина Н.О. и Ткаченко Н.Н. Способ из готовления регулярных фотоматриц. Авторское свидетельство N 795356. Зарегистрировано 8 сентября 1980 г.

10. Lukyanchikova N.B., Pekar G.S., Tkachenko N.N. Photoelectr: and Noise Properties of Photon Detectors Based on ZnS Schottkj Diodes// Proc.9th Intern. Symp. on Photon Detectors.- Hungary Visegrad, 1980. - V.l. - P.187-199.

11. Lukyanchikova N.B., Pavelko Т.Н., Pekar G.S., Tkachenko N.N., and M.K.Sheinkraan. Mechanism of electroluminescence excitatic in forward-biased MS and HIS light-emitting diodes based on wide-band-gap II-VI compounds // Phys. Status Sol.(a).- 1981. v.64, N 2.-P.897-706.

12. Ткаченко H.H., Перова В.И., Назаренко В.Н., Карпенко В.Б. и Шварцман Л.Я. Способ изготовления фотопреобразователей на оси ве поликристаллических полупроводников. Авторское свидетель ство N 1127502. Зарегистрировано 1 августа 1984 г.

13. Ткаченко Н.Н..Шварцман Л.Я. Фотодиоды типа контактов металл полупроводник на основе поликристаллического кремния // Диэле

ктрики и полупроводники.-1985.- в.27. -С.82-83.

14. Зинченко Э.А., Перова В.И., Пометун Б.В..Ткаченко Н.Н., Серде га Б.К. Поперечная фото-эдс в поликристаллическом кремнии // Укр.физ.ж,- 1985.- т.30, N 5,- С.744-746.

15. Ткаченко Н.Н., Перова В.И., Назаренко В.Н., Печерица А.И. Шварцман Л.Я. Омические контакты к фотодиодам на основе поликристаллического кремния // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника.-Киев: "Наукова Думка",1985.- в.7,- С.72-73.

16. Ткаченко Н.Н. Низкочастотный шум и механизм токопрохождения i диодах на основе поликристаллического кремния // Флуктуацион • ные явления в физических системах. IV Всесоюзная конференция Тезисы докладов.- М., 1985,- С.98-99.

17. Ткаченко Н.Н., Омельянович Л.В., Гаращенко Н.П., Лукьянчиков; Н.Б., Шейнкман М.К. Биполярный транзистор на основе гетероперехода. Авторское свидетельство N 1409075, зарегистрировано

17 сентября 1985 г..

Зерезенко Л.Е.,Каган М.Б., Ткаченко H.H., Холев Б.А., Фалькевич Э.С. Фотопреобразование в р-n переходе на основе поликри-;таллического кремния // Электротехника.-1986.- N 8.- С.15-16. Гкаченко H.H., Омельянович Л.В., Волков Л.И., Данковский Ю.В., 1кляр Б.Л., Гаращенко Н.П. Способ определения содержания кис-торода в пленках. Авторское свидетельство N 13949003, зарегис-:рировано 11 июня 1986.

>ерезенко Л.Е.,Каган М.Б., Ткаченко H.H., Холев Б.А., Фальке-1ич Э.С. Исследование характеристик фотопреобразователей на >снове поликристаллического кремния //Гелиотехника.-1986.-N 6. ■ С. 54-57.

'каченко H.H., Назаренко В.Н., Фалькевич Э.С., Березенко I.E.,Холев Б.А., Каган М.Б. Фотопреобразователь на основе по-[икристаллического полупроводника. Авторское свидетельство N 477191, Зарегистрировано 7 июля 1986 г.

каченко H.H., Березенко Л.Е., Фалькевич Э.С. Влияние зернис-ой структуры поликристаллического кремния на характеристики отопреобразователей // Диэлектрики и полупроводники.-1987.-в. 1.-С.86-89.

олков Л.И., Гаращенко Н.П., Конторович В.Н., Ткаченко H.H. сследование энергетической зонной структуры полуизолирующего оликристаллического кремния // Диэлектрики и полупроводники.-987,- в.31,- С.64-66.

каченко H.H. Границы зерен и механизм токопроходжения в фото-реобразователх на основе поликристаллического кремния // Укр. из.ж,- 1987.-т.32, N 3 ..-С.443-447.

евинзон Д.И., Снапиро И.Б., Ткаченко H.H.- Исследование фото альваномагнитных эффектов на границах зерен в кристаллах крем ля //Материалы Всесоюзного совещания по получению профилиро 1нных кристаллов и изделий способом Степанова и их применению народном хозяйстве, Ленинград.-1989.-С.221-225. lanupo И.Б., Ткаченко H.H. Механизм нелинейной диффузии в элупроводниках // Письма в ЖЭТФ.-1989,- т.50, в.З,- С. 111-112 (апиро И.Б., Ткаченко H.H. Фотомагнитный эффект в поликрис-(ллическом полупроводнике // ФТП.-1990.- т.24, в.4.- С.345.

28. Снапиро И.Б., Ткаченко H.H. Деформационные эффекты на гран зерен в кремнии // Диэлектрики и полупроводники.-1990.-в. С.26-29.

29. Снапиро И.Б., Ткаченко H.H. Влияние границ зерен на диффуз ную длину носителей заряда // Диэлектрики и полупроводники

1990. -в. 38. - С.47 - 53.

30. Снапиро И.Б., Ткаченко H.H. Впльтпмпгрные характеристики ф преобразователей на основе поликристаллического кремния // лиотехника,- 1990,- N2,- С.43-48.

31. Снапиро И.Б., Ткаченко H.H. Нелинейная диффузия примесей границам зерен в полупроводниках // ФТТ.-1990,- т.32, в С.2007 - 2009.

32. Ткаченко H.H., Коломоец Г.П., Федотов А.К., Ильящук Ю.М., ( пиро И.Б. Токовый шум границ зерен в поликристаллическом kj нии // ФТТ.-1991.-Т.33,N5.-С.1593-1595.

33. Tkachenko N.. Kolomoets G. Low-frequency noise of grain be daries in semiconductors/Proc. of the 6th Sei. Conf. on Fl tuation Phenomena in Physical Systems, Palanga, Lithuani

1991.-P.95-96.

34. Ткаченко H.H., Коломоец Г.П. Избыточный шум в биполярных тр зисторах с поликремниевым эмиттером //Укр. физ.ж.-1991.-Т. N6,- С.917 - 923.

35. Снапиро И.Б., Ткаченко H.H. Эффективность инжекции в бипол ных транзисторах с поликремниевым эмиттером//Микроэлектрони Изв. АН СССР. -1991,- т.20,в.2.-С.173-178.

36. Ткаченко H.H., Захаров C.B., Левинзон Д.И., Доброхотов Г Способ измерения параметров поликристаллического кремния, з сящих от размеров кристаллитов. Авторское свидетельство 1686980, зарегистрировано 22 июня 1991 г.

37. Tkachenko N., Levinzon D., Kolomoets G. Current noise in bipolar transistors with polysilicon emitters/Proc. of the Sei. Conf. on Fluctuation Phenomena in Physical Systems, langa, Lithuania.-1991.-P.177-179.

38. Снапиро И.В., Ткаченко H.H. Оптимальная геометрия контакт сеток для полупроводниковых фотопреобоазователей //Гелиотех ка.-1991.- в.2.- С.45-48.

9. Мелентьев Н.Г., Остренко Д.В., Ткаченко Н.Н., Снапиро И.В., Коломоец Г.П. Способ подгонки величины сопротивления поликристаллического резистора. Заявка N 48456556 приоритет от 2.07.90, Положительное решение от 29.04.92.

0. Мелентьев Н.Г., Остренко Д.В., Ткаченко Н.Н., Снапиро И.Б., Коломоец Г.П. Линия задержки с регулируемыми параметрами. Заявка N 485865 приоритет от 8.08.90 .Положительное решение от 28.04.92.

1. Tkachenko М.М. Low - frequency noise in polycrystalline elements of semiconductor devices /Proc. of Int. Conf."Microelectronics ' 92" , 21-23 September,1992, Warsaw, Poland. Published by SPIE, USA.-1992,- V.1783.-P.213-222.

2. Tkachenko M.M., Koloraoets G.P., Melentjev N.G. Polycrystalline resistors with current-induced tuning of electrical pararae-ters/Proc. of Int. Conf."Microelectronics'92", 21-23 September,1992, Warsaw, Poland. Published by SPIE, USA.-1992.-V.1783.-P.233-243.

3. Tkachenko M.M., Kolomoets G.P., Nazarenko V.N. Parameter determination of the polysilicon emitter interface for bipolar transistors/Proc. of Int. Conf."Microelectronics'92", 21-23 September,1992, Warsaw, Poland. Published by SPIE, USA.-1992.-V.1783.-P.223-232.

4. Гориславец В.Г., Нечипоренко Ю.Л., Левинзон Д.И..Ткаченко Н.Н. Время жизни неосновных носителей заряда в эпитаксиальных кремниевых слоях для фотопреобразователей // Фотоэлектроника. Одесса: Изд-во Одесского госуниверситета.-1992.- N 5.-С.133-137.

5. Коломоец Г.П., Ткаченко Н.Н., Левинзон Д.И., Назаренко В.Н. Исследование характеристик границы раздела в поликремниевых эмиттерах биполярных транзисторов // Микроэлектроника. Известия РАН.-1992.-Т.21,вып.6.-С.36-39.

>. Levinzon D.I., Nechiporenko Y.L., Onyshchuk V.N., Sajenko O.V. Tkachenko N.N., Vervika A.V. Investigztion of the charecteris-tics of the silicon solar cells with heterojunctions on the basis of the transparent conduction oxides / Proc. of the Institute of the physics of semiconductors.- Novosibirsk, 1992.-c.243.

47. Левинзон Д.И., Нечипоренко Ю.Л., Ткаченко H.H. Исследов;

характеристики кремниевых фотоэлементов с гетеропереходом основе прозрачных проводящих оксидов // Датчики. Севастопс УМК ВЗ.- 1993.-С.85-86.

48. Ткаченко H.H. 1/f шум и рекомбинационные процессы в поликр! таллах // Письма в ЖЭТФ,- 1994,- т.59, в.4. С.255-257.

49. Ткаченко Н. Н., Строителева Н.И., Коломоец Г.П. Электричес шум сплавных (искусственных) границ зерен в кремнии // Укр. физ. ж.-1994,- т.39, N3,- С.36-38.