Переходный ток, ограниченный объемным зарядом, в п+ -р-р+- структурах и проблема дрейфа лития в кремнии и германии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

-л

ч 'с П 2 5 01

а1одиш НАУК СССР У ОРДЕНА ленина ФИЗИКО-ГШЖЕСКИЙ ИНСТИТУТ тЛЛЛУЛЪ

На правах рукописи

АНДРЕЕВ Владимир Михайлович

УДК 621.315.592

ПЕРЕХОДНЫЙ ТОК, ОГРАНИЧЕННЫЙ ОБЪЕМНЫМ ЗАРЯДОМ, В п+-р-р+- СТРУКТУРАХ

и дробима дрейфа литш в кралж и гашнш

(01.04.Ю - физика шлупройодт.кив и диэлектриков)

Автореферат диссертации на ооисканио ученой ступени кандидата физика-матоматичоских наук

Ленинград 1990'

Работа выполнена в Ордена Ленина физико-техническом институте км. А. Ф.Иоффе АН СССР,

Научный руководитель: доктор фаз.-мат. наук

Официальные оппоненты: доктор -фаз.-mût. наук доктор технических раук

Н.Б.Строкан.

А.Ф.Каздо-Сысоев, С.Ф.Козлов.

Ведущая организация - Рижский НИИ радиоизотопного приборостроения.

Йшцита диссертации состоится -/Л xt-Q/Çrfi 19Э0 часов на заседании специализированного совета

г.

К.003.23.01 в Физико-техническом институте им,А.Ф.Ис<{фе АН СССР но ацросу: 194021, Ленинград, Политехническая ул., д.26.

в

С диссертацией модно ознакомиться в научной библиотеке ФТИ им.А.й.Ко<й*з АН СССР.

Отзывы на автореферат в 2-х экземшшрах, заверенные печатью, цросьба высылать но вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря специализированного совета.

Автореферат разослан " $ " 1990 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат фвд.-мат. каук

Г.С.Куликов

тл-,; , з

С^л^ций I ОНЦАЯ ХАРШ'ЕРИСТШ РАБОТЫ

Актуальность теш.

При создании полупроводниковых приемников слабопоглоиаомо-го излучения возникает задача получения однородных вксоксошшх монокристаллов. В этой связи уникальные возможности предоставляет технология компенсации полупроводников методов дрейфе ионов лития в электрическом поле. Напришр, он позволяет получать высокооднородный германий с разностной концентрацией доноров и акцепторов см"3 в объеме свыше 100 см3. При этом мотод значительно превосходит другие известны* технологические приемы по простоте реализации при достижении абселюгиого рекорда по точности и однородности компенсации.

Несмотря на широкое распространение метода, до сих пор остается нерешенном комплекс проблем, таких, как нестабильность дрейфовой подашшости ионов ш образование аномально больших некомпенсированных слоев. В значительной мере их решение сдергивается отсутствием теории, которая, адекватно описытала бы все стадии процесса в условиях, близких к реальному эксперименту и практике. Если рассмотреть формальную математическую формулировку задачи, то можно видеть, что в основе такой теории должны лежать уравнение дрейфа ненов и электрическом поле с учетом диффузии и возможного захвата и уравнвлао Пуассона.

Такие ке по форме уравнения кгриот основную роль в теории переходных токов, ограниченных объемным зарядом (Ш'ООЗ), в твердом теле. Однако механический перенос старой методологав в новую область в данном случае невозможен. Причина ке в {>аз-личии на 13 порядков временных масштабов, а в том, что дрейф ионов затрагивает новый класс задач, не досмотренных до сих пор в теории ПГООЗ. А именно, при дрейфэ ионов происходит самосогласованное расширение границы области пространственного заряда (ОПЗ) вследствие компенсации полупроводника.

Вместе с тем, можно указать целый ряд примеров протекания ПТООЗ, когда икепт место аналогичные особенности, связанный о изменением границ, в которых заключено электрическое поле. Сюда могут быть отнесены полупроводниковые структуры • с блокирующими контактами, работающее в режиме неполного обеднения. К такого типа объектам относится большинство полупроводниковых приборе в

на основе р—п-переходов (например, приемники импульсных ионизирующих излучений или фотодиода в режиме большого сигнала). Однако именно этот, наиболее важный с практической точки зрения класс задач., оказался в теории ПГ003 не рассмотренным. Поэтому настоящая диссертационная работа, направленная на создание теории ПТООЗ в п+-р-р+-струкгурах и теории компенсации, как оо важного частного случая,'является актуальной.

Полью настоящей работы, кроме решения отмеченных выше вопросов теории, явилось такке экспериментальное исследование динамики щюцосса компенсации при дрейфе ионов с точки зрения проблем технологии и метрики транспортных свойств примесей.

Доя достижения поставленной цели были сформулированы следующие конкретные задачи:

- исследовать кинетику концентрации дрейфующих носителей;

- установить влияние диффузии на форму дрейфующего полета;

- исследовать особенности деформации поля и кинетики тока в рассматриваемых структурах;

- ьияв;;ть факторы, влияющие на степень компенсации при дрейфе ионов примеси;

- экспериментально подтвердить праьильность аналогии процесса компонссШи .1 Ш'ООЗ и показать примеры применения теории.

1. Рассмотрены основные закономерности проникания ПТООЗ в ' п+-р-р+- структурах с нефиксированной границей 0113. Тем самым,

теория к.оно полярных инжекциошшх токов в твердых телах дополнилась важным классом объектов.

2. Построена динамическая теория компенсации полупроводников методом дрейфа ионов примеси, дающая описание процесса на всех стадиях.

3. Впервые, на призере кремния, экспериментально исследована динамика установления концентрации дрейфующих ионов лития в процессе компенсации и продемонстрирована возможность получена заглубленных компенсированных слоев внутри полупроводн;1ка.

Пиактич еская значимость.

1. Найдены аналитические зависимости для описания нестационарного электрического поля в базе и кинетики переходного тока. Просле.т.ена с?а.эь временных параметров ПТООЗ в недообедненных

п+-р-р+-структурах с подвижностью носителей, свойствами материала и геометрией образца. Зто открывает возможность обобщения известной методики измерения дреЭДювой скорости на случай нмз-коомных некомпенсировашшх материалов, для которых режим полного обеднения практически невозможен.

2. Разработана методика прецизионного измерения подвижности ионов лития на ранних стадиях процесса компенсации, что важно для прогноза последующего дрейфа. Предложенная методика оказывается единственно приемлемой для измерений при низких температурах, соответствующих реяиму выравнивания.

3. Разработана методика определения профиля концентрации лития в области компенсации по емкостным измерениям. Методика важна для кекопврапиопного контроля в технологии германий- и кремний-литиевнх детекторов.

4. Динамическая теогия компенсации с учетом захвата классифицирует и опяснвает типичные для практики случаи. Тем сашм, предоставляется возможность уже на ,ранних стадиях дрой$а осуществлять аттестацию исходного материала и прогнозировать ход компенсации.

5. Теоретический анализ дрейфа лития показал, что компенсация имеет место и в условиях комплексообразоланая. Однако в определенних случаях возможно накопление лития в неактивной {азе, что приводит к раскомпенсаши материала при последующих термических обработках и может служить причиной ха^ктерцого для коаксиальных .германиевых детекторов большого объема образования мертвых слоев.

&шш.д9дрл9йця.. дьммгаш .на ,а?.д;ту.

1. Протекание ЛТ003 в недообедиенпцх п+-р-р+- структурах всегда сопровождается индукцией электрического поля из ОПЗ в 5азу, причем напряженность електрического поля в базе оказывайся в большинстве случаев сравл^зй со средней величиной ¡сходного поля в ОПЗ. Указанный э<йект перераспределена поля тределяет общую кинетику переноса нос это л ей через структуру 1 целом.

2. Кинетика ПТСОЗ в рассматричаомшс структурах аяеет ачественно равные- особенности в зависимости от того, является

иголируэде!*, гогласовгнмй ила проводящей. Выдолсшшй

случаи отличаются соотношением масштабов процесса индукции поля из ОПЗ в базу и его экранировки равновесными носителями, находящимися ь базе.

3. В структурах с изолирующей базой всегда, а в структурах с согласованной базой в случае, когда толщина ОПЗ составляет но менее полонами общей толщины образца, кинетика ПГ003 имеет характерный пик, соответствующий моменту касания передним фронтов инжектированного пакета тылового контакта. Последнее имеет методическое значение при определении дрейфовой скорости носителей заряда.

4. Процесс компенсации полупроводников методом дрейфа ионов лития по физической сути представляет собой ПГООЗ в структурах с проводящей базой.

5. Динамика установления концентрации лития в компенсиру- • емой области па всех этапах процесса а при любой геометрии образца характеризуется одной и той ке постоянной времени, зависящей в данном материале только от температуры. Градиент концентрации лития в области дрейфующего п-р-перехода спадает со временем экспоненциально с той же постоянной времени.

6. Диффузионные процессы в инжектированном пакете основных носителей при дрейфе в ОПЗ оказываются подавлены. Это приводит к тому, что шкет не расплывается, а принимает стационарную форму. Причем распределение носителей на фронте пакета аналогично юс распределению на границе обратно смещенного р-п-лерехода, т.к. в обоих случаях оно соответствует состоянию диффузионно-дрейфового равновесия.

'/'. В случае, когда дрейф литая сопровождается процессом комплексообразования, за исключением ухода лития на стоки, возможность компенсации материала сохраняется. При атом установление концентрации в компенсированной области и увеличение ее толщины происходят с разными постоянными времени.

Апроб?шш работы. Результаты работы докладывались на семинаре те01АТ,гческэг0 отдела Р.кского 1Ш радиоизотопного приборостроения (.Рига, 198?), Всесоюзном семинаре "&лзика и техника полупрородниковых детекторов" (Гатчина, 1989), а также на науч-ьых ссадпарах лаборатории неравновесных электронных процессов в полупроводниках ФТЛ им. А.Ф.«о$<|е АН СССР.

Публикации. Ео материалам диссертации опубликовано 7 научных работ, список которых праведен в конце автореферата.

Структура ц объел: работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, за!(лючения и списка цитируемой лиге^иу^ы. Об.ций объем работы составляет 178 стр., в том числе страниц машинописного текста - 114, рисунков - 51, таблиц - 2, библиография -104 наименования на 11 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕШШШ РАБОТУ

Во введении обоснована актуальность теш, сформул^онани цели исследования, изложены научная и практическая новппка работы, но ре числены положения, выносимые .1а защиту.

Первая гла^а носит обзорный характер. В пой обсуццаются литературные данные по анализу 1ГГС03 в твердых телах, а также ло исследованию дройфа ионов лития в кремнии и германии.

Начало интенсивных исследований токов, ограниченных объем-нцм зарядом, (ТООС ) в твердом тело .относится к 50-нк годам, когда были изучены основные закономерности процесса в изеляуорах и накоплен обширный экспериментальный материал. Практическими результата!,'и этих работ явились методы измерения па)шмотров центров захвата и т;.аислс1>тных свойств носителей в нысжошннх материалах [1].

Отдельным предметом исследований являлся переходный процесс установления ТООЗ. Основы теории 1ГГ003 заложены в [2], где наказано, что кинетика 1ГГ003 в изоляторе имеет т начальном этапе ярко выраженный ньрастащчй характер. Это связано с тем, что заряд дрейфующих носителей частично экранирует электрическое поле. При этом напряженность поля на фронте пакета и, следовательно, его скорость нарастают по мере приближения ко второму контакту. Аналогично развивается процесс и в случае родственной изолятору полностью обедненной полупроводниковой структур* [^3], Кокент касания фронтом инжектированного шкета второго электрода оказывается выделенным на форме кинетика тока остроконечным пиком. Это обусловливает прикладную значимость теории 2ТГООЗ в метрике дрейфовой скорости носителей [4].

Голое сложным объектом для анализа ЛТСОЗ являются структуры, работающие в режше неполного обеднения, т.е. содержащие

дао области - ОПЗ и электронейтральную базу. Типичными примерами служат детекторы ядорных излучений или фотодиоды. Здесь дополнительные физические процессы связаны с тем, что границы, в которых заключено электрическое поле, не фиксированы. Так,в [&] экспо;.«гам чтально исследована форка ПГ003 в быстродействующих кремниевых р+-п-н+- фотодиодах и показано, что индукция неравновесного электрического поля нз 0113 в базу определяет обиую кинотику переходного тока. Теоретическое рассмотрение 1ГГ003 в структурах с нефиксированной границей ОПЗ в литературе отсутствовало.

Другой, как оказалось, родственный вопрос связан с известным технологическим приемом компенсации кремния к германия методом дрейфа ионов лития. Этот способ впервые [б] был предложен в 1960 г., что близко к началу исследований ПТООЕ в твердых телах [2]. В точение последующих 10-15 лет был накоплен обширный фактический материал по исследованию электрофизических сзойств лития и кромпнп и германки и проанализировано влияние на компенсацию побочтнх факто^в - технической генерации свободных носителей и неоднородности распределения акцепторов в исходном кагера-але. Однако исследования всегда ограничивались квазкетационар-нык случаем, динамика процесса не рассматривалась. Типичным примерок является [7],где рассчитывается распределение лития в компенсированной области. Хотя в начале автор исходит из системы нестационарных уравнений, описывающих перекос гонов лития и деформацию поля, в процессе решения он пренебрегает временными слагаемыми и сводит задачу к стационарной.

Ближе всех к выявлении динамики компенсации гэдошли в [8], где рассматривается возможность восстановления германий-литиевых детекторов после частичной раскомпенсации. Авторы показали, что процесс выравнивания концентраций лития N и аладепторов идет экспоненциально с постоянной времени Т ~ £ £•<,/й/« , где £. -диэлектрическая проницаемость материала, д» - подвижность ионов лития. Однако этот вывод относится только к случаю малого отклонения Ь' от поэтому авторы [8] не увидели общей закономерности в поведении

Отсутствие с 1260 г. экспериментальных работ по исследованию датчики процесса компенсации привело к тому, что д&влеющей оказалась чисто качественная картина, соответствующая квазиста-

ционарному случаю. Фактически, динамика концентрации лития и вместо с ней сам механизм процесса компенсации выпадал и.ч поля зрения. Отметим, что традиционный стационарный подход к задаче затормаживал также анализ компенсации с учетом захвата. По существу, влияние захвата всегда сводилось к тривиальному выводу о замедлении дрейфовой подвижности [9].

Начиная со второй главы. где рассмотрены основные физические закономерности, которым подчиняется 1ГГООС; в недообедненных п+-р-р-структурах при мононолярной шпульсной илхекиии, излагается оригинальная часть диссертационной рчботы.

Прежде всего дана классификация гияичннх полупроводниковых структур, позволшаая выделить особенности щлтекапня процесса в различных случат*., В основе предложенной схемы ломит соотношение времен максьолловской релаксации в 0113 Т* и п базо ?д5 . Случаям « , 't^ - Х^ и 1'° » Т/ поста ьлыю в соответствие три типа структур: с изолирующей, согласованной и проводящей базой.

Например, если структура изготовлена из материала, но содержащего глубоких центров, то распределение электрического поля в ОПЗ и концентрация свободных носителей a ба.чо определяется только концентрацией мелких акцепторов . Та к ил: образом, времена максгелловской релаксации в ОЕЗ - t i0/e/<( , гдо pз - подвижность основных носителей, ц в базе T„â -. t t,-/,'/,г/',> эказываются равными, Этот случаи классиф^инруется как структур з согласованной базой.

Наличие в полупроводнике глубоких центров п, ,;¡¡од.гг к силь-юй дифференциации свойств 0113 л базы-. Так, если кггирлад с юнцентрацией мелких акцепторов А/д компенсировал глубокими до-юрами, то база по проводимости близ1са к изолятору />,, г 0. Но фи этом в ОПЗ распределение электрического пол»! определяется ¡о-прижнему концентрацией . Следовательно, в этом случае рс-1лпзус:тск неравенство «и, согласно нредло.чешюЯ ¡uiac-!Ь&ккаи::и, структура имеет изолирующую базу.

Случай проводящей базы реализуется, когда в 0ii3 происходит [няекцня не дырок, как в предыдущих случаях, а носителей заряда гной природы, например, ионов примеси. Тогда га/еет ызсто неравно тв<? , т.к. п этом случае = ца А/4^. где

ПОДВИЖНОСТЬ .ИОНОВ у/ « .

Общей для всех структур и режимов дрейфа закономерностью является автоматическая подстройка со временем концентрации п пакете дрейфующих носителей заряда под концентрацию неподвижной ионизованной примеса в области дрейфа. В результате, в материале с однородным распределением акцепторов , независимо от прил<ш иного напряжения, закон изменения концентрации дрейфующих дырок ¡> имеет ввд:

( м-»41-0-

3

где р - концентрация в досматриваемом пакете в начальный момент времени -¿с. Путем перехода к производной по траектории показано, что этот результат является универсальным и справедлив при любой геометрии образца и произвольном расположении1 электродов.

Лито последовательно рассматриваются особенности ПТООЗ в каждом из и/деленных типов структур. Основное внимание при этом удоляотся дт.ум аспектам: кинетике переходного тска и перераспределению электрического поля в структуре. Подход к решению задачи базируется на известном приеме интегрирования тока по координате [2], который позволяет связать его величину с мгновенными значениями поля на контактах. Благодаря этому задача о кинетике ПТООЗ сводится к обыкновенному дифференциальному уравнению, правда, только на начальных стациях процесса, пока инжектированные носители не коснутся области базы.

Показано, что характерной особенностью ПТООЗ в недообеднен-ных п^-р-р"1"-структурах является индукция электрического поля из ОПЗ в исходно электронеЙтральнув базу. Наиболее отчетливо указанный эффект индукции поля и последующего дрейфа в нем инжектированных носителей наблюдается в структуре с изолирующей базой. Действительно, с момента шшекции носителей в область пч-р-пере-хода в структуре начинает протекать ток. При этом, поскольку база изолирующая и в пей исходно отсутствуют свободные носители, способные поддерживать ток, его непрерывность обеспечивается топок с!.х:ае;::;я £ £ ^ • В результате электрическое поле перераспределяется по структуре и проникает в область ранее элэктро-коРтрельной базы. В диссертации приведены зависимости, количест-

и

пенно описывающие этот эффект. Показано, что возникающая ь базе напряженность поля может даже превышать среднюю величину ,

где V - приложенное к структуре напряжение, Ь - толщина р-слоя (между п+- и р^-контактами)» Столь высокое поло обеспечивает эффективный дрейфовый перенос ис^вновесных носителей через базу.

Б согласованной структуро одновременно с индукцией поля в базу в ной происходит дрейф равновесных носителей заряда, приводящий к экранировке поля. Показано, что в таком случае база играет роль своеобразного буфера, сглаживающего кинетику ПГС-а. Однако, несмотря на это, сохраняется характерный пик тока, соответствующий моменту касания инжектированным пакетом р+-кон-такта.

В структуре с проводящей базой экранировка поля в базе вследствие ухода равновесных носителей в р+-коптакт вдет значительно быстрее, поколи индукция в нее поля из ОПЗ. /Ложно считать, что граница области базы сдвигается ровно настолько, чтобы объемный заряд "оголипшшсся" акцепторов полностью экранировал деформирующееся при дрейфе инжектированного пакета поле. Показало, что форма переходного тока в атом случае качественно отличается от двух предыдущих случаев, а именно, спадает ~ ({ ¿/¡^ )' '/г .

Заключительный параграф этой главы посаящек численному решению уравнений, описывающих 111003 в рассматриваемых структурах. Необходимость численных методов.диктуется сложностью задачи, ч принципе не допускающей в ряде случаев анали меского решения. В диссертации изложена методика расчета и приведены наиболее важные результаты. Так, показано, что на форме переходного гока сохраняется характерный для ПГООЗ пик, соответствующий моменту касания инжектированными насителями р+-коитакта. Прослежена также зависимость формы тока от величины инжектированного заряда (режим малого сигнала и постепенный переход к ЕТООЗ). Анализируются процессы перераспределения поля и зарядов на стадии релаксации тока.

В третьей главе детально рассматривается теория компенсации полупроводников методом дрейфа ионов приноси. Использовать результаты второй главы позволяет выявленная аналогия процесса компенсации и ГГГООЗ. Действительно, в обоих случаях в начальный

момент создается резервуар неравновесных носителей на границе п+-р-шрехода, например, фотошшекцией в случае ГГГ003 или диффузной лития при компенсации кремния или германия. В режиме, когда к структуре приложено запорное напряженно, инжектированные носители запада £дырки или, в другом случае, ионы 1; втягиваются электрическим полем в объем полупроводника. При высокой концентрации введенных зарядов этот процесс развивается по механизму ЩООЗ.

. В данной глава основное внимание уделяется не кинетике пароходного тока, а Ж01ШШ распределения дроОДуицой примеси по структуре,., т.к. имен но этот вопрос важен для технологии. При анализе задачи цридлошшо выделить два независимых процесса: установление со временем концентрации в шкоте ионов и ехчэ перемещение 1сак целого во внешнем поле. Такой подход позволил строго решить поставленную задачу и дать полное описание для распределения дрейфующей нримэси и параметрическом виде.

Показано, что формирование компенсированной области происходит следующим образом. Точка п-р-нерохода дрейфует в "глубь материала. При этом справа от нее формируется резкий прямоугольный фронт распределения. Слова имеется избыток лития, концентрация которого со временем подстраивается к уровню К'А и соответствии с установленным во 2-й главо законом изменения концентрации носителей, дрой<!з/тоцих в ОПЗ. Найденная зависимость позволяет получить также полнуо картину распределения в ВИд0

При этом удается ддя ¿/*) получить обыкновенное дифференциальное уравнение. В диссертации приводится его общее решение и приближенные аналитические выражения для вблизи резервуара ^область малых ») и в глубине компенсированной облас л.

Рис. 1 иллюстрирует результаты, получешше благодаря описанному выше динамическому подходу к проблеме, ¡масштаб по координате дт^А/ду^ где v - приложенное для осуществления дрейфа напряжение, соответствует начальной толщине ОПЗ и задает скорость продвижения фронта распределения л .¡тот. Отметим, что - £ („ /еуч , характеризующая скорость установления концентрации лития N (Ь), не зависит от напряжения V . Факт-

чески, в заданном материале (при фиксированных £ и опре-

деляется только томноратурой*.

Рис.1. Динамика процесса компенсации.

Ц;'4ры у кривых - время дрейфа •

Полученная картина была бы неполной без учета диффузионных процессов. И хотя известно, что влияние диффузии на кинетику ПТООЗ в изоляторе и полупроводнике носит лишь поправочный характер (который проявляется в сглакившш/. пика тока), в данном случае. вопрос может оказаться принципиальным. Действительно, ток представляет собой пнтагральную характеристику процесса, поэтому слабые возмущения тока могут быть, в принципе, связаны со значительными изменениями в распределении концентрации. Поэтому вопрос о диффузионном размытии фронта дрейфующей примеси требует тщательного рассмотрения.

В этой связи далее анализируется влияние дкГфузии на формирование дрейфующего в поле п-р-перехода пакета носителей. Показано,. что общей тенденцией является стабилизация его формы, когда диффузионное размытие подавляется дрейг|овш/. сжатием. В результате уравновешивания этих процессов устанавливается стаци-

* Например, в с Лд= 1013 см-3 при 100 °С подвижность

лития /ч ~ см2/В*с и, следовательно, ~ 2 часа.

опарное распределение концентрации в дрейфу щсм пакете. Пореход в связанную с ним систему координат позволяет выявить аналогию с состоянием диффузионно-дрейфового равновесия . свободных носителей на границе обратно смещенного п-р-иерехода. Такт/, образом, благодаря общности физически процессов задача сводится к детально исследованному объекту. С точки зрения компенсации важно, что диффузионное размытие фронта распределения дрейфующей примеси ни превосходит нескольких добаевских дай: экипирования ( ) 1/г-, т.е. практически во всех случаях несоизме-

римо лкию с глубиной компенсации.

Во второй части главы разработанная теория компенсации обобщается на случай возможного захвата лития. При этом рассматриваются три различные модели комшшксооб{азоташш. Первые две из иих характеризуются тем, что количество захваченного литии считается фиксированным, но в нервом случае он остается донорам, во втором - становится нейтхилъьым. В третьей модели литий непрерывно захватыааотся с фиксированной постоянной времени на "стоки" и исчезает из компенсированной области как донор. При этом происходит накопление не проявляющейся в балансе зарядов фоновой концентрации лития. .Показано, что в каждой из этих моделей учет захвата тробуот введения эффективных величин А* и С , характеризующих, соответственно, скорость ¡расширения компенсированной области и установление концентрации в пей. Сравнительный анализ Сем. таблицу.) показывает, что самый "неприятный" случай - третья модель захвата. В ней полная компенсация материала но достижима в принципе, а глубина области компенсации конечна.

В чд1ч?ерто{4 улавр развиваются методы экспериментального исследования дрейфовых свойств лития, вытекающие из изложенной выше динамической теории, и обсуждаотся рад вопросе„, связанных с технологией компенсации.

Так, впервые на примере кремния исследована непосредственно динамика установления концентрации лития в процессе компенсации. Идея экспорт/,опта - контроль изменения со временем градиента концентрации в области п-р-перехода. Привязка к точке дрей^у-вдего .п-р-перехода дает прямую реализацию измерения производной по траектории. Показано, что в полном соответствии с теорией

---------- Условия, Захваченный Захваченный Уход на

менологи- .дахвата литий - литий стоки

ческий параметр донор нейтралон

Концентрация захватыва- щ Но неограни-

ющих центров чен

Основной парамотр с( = 1-к

модели 1 ЫА

Эффективная подвижность * ||

Постоянная времени уста- * 11

новления концентрации г

Тип проводимости в ком- Н- '/г.

пенсированной области

Степень компенсации неограни- неограни- ограничена

чена чена

Глубина компенсации неограни- цеограни- ограничена

чепа чена

градиент концентрации спадает экспоненциально, при этом эксперимент подтверждает вывода теории но только качественно, но и количественно. Обнаруженная закономерность позволяет на ранних стадиях процесса производить контроль скорости компенсации и измерять дрейфовую подвижность лития. Разработанная методика оказывается единственно приемлемой при низких температурах дрейфа, соответствующих режиму выравнивания.

Во-вторых, новый подход позволил разработать методику определения. профиля концентрации лития по глубине в компенсированной области из емкостных измерений. Решение это! задачи опирается на теоремы об установлении концентрации лития со временем и о диффузионном размытии фронта распределения. Согласно кх выводам, компенсированная область имеет на начальном этапе п-тип проводимости и граница п-р-перехода между областью компенсации и исходным материалом резкая (с точностью до нескольких дебаевеккх длин экранирования). Показано, что обоснованная в 3-й главе модель компенсированной области позволяет однозначно восстанавливать неизвестное распределение и приведен алгоритм требуемой для этого математической обработки С(У?-характерястик обрэппа. Численное моделирование показало, что погрешность предложенной методики в условиях, близких к реальным, не превышает 1%. Разра-

ботанный алгоритм был использован для контроля дрейфа лития в кремнии. Наблюдалось качественное соответствие между рассчитаны-ш и экспериментальными профилями. Количественным критерием корректности восстановления служило экспоненциальное падение концентрации в компенсируемой области со временем.

Наконец, впервые осуществлен дрейф ионов лития, в кремнии из ограниченного резервуара и отрыв сформировавшегося при этом пакета лития от п+-контакта. Проделанный эксперимент демонстрирует возможность создания заглублонных компенсированных слоев внутри полупроводника. Исследование полученного образца показало, что он представляет собой п+-р-п°-р-структуру, в которой компенсированная п°-область толщиной 2 ш отделена от фосфорного п+-контакта 120-ти микронным слоем, икоюцим р-тип проводимости. Отметим, Что проделанный эксперимент открывает принципиально новые подходы к исследованию дрейфовых свойств лития в условиях комплексообразования, поскольку оказывается возможным контроль процессов диссоциации комплексов в р-слое между контактом и заглубленной компенсированной областью. Проведенный эксперимент перекликается с поднятой в последние годы проблемой дрейфа в электрическом поле водорода с целью пассивации дефектов в кремнии[lO],

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТУ ]., Рассмотрены особенности перераспределения поля и кинетики переходного тока в недообедлошшх п+-р-р+-структурах. Показано, что характер протекающих процессов спр-'цсляегся соотношением времен макспелловской релаксации в ОПЗ Т^ к в базе , Предложенная классификация структур,охватывающая случаи изолирующей, согласованной и проводящой базы, позволила проследить особенности процесса и выявить общие закономерности. Так, ПГ003 в нодообедаенных структурах всегда сопровождается ..ндукцией не-■ равновесного электрического поля из ОПЗ в базу. Причем напряженность поля в базе оказывается сравнимой с величиной нзвозь^ущон-ного. .поля в ,0ПЗ. Кинетика переходного тока сохраняет характерный для ГТГООЗ пик тока, соответствующий пролету переднего фронта инжектированных (юсителей через структуру.

£. Рассмотрена кинетика изменения концентрации в пакете неравновесных носителей, дрейфуадю; в пг>."в р-н-перехода. Показано,

что при любой геометрии образца и конфигурации электродов концентрация в лакоте основных носителей подстраивается под уровень концентрации неподвижной ионизованной примеси в области дрейфа. Этот жо вншд справедлив и в случае дрейфа ионов легирующей примеси в процессе компенсации. Постоянная времени указанного выравнивания концентраций но зависит от приложенного напряжения.

3. Рассмотрено влияние.' диффузионных процессов на формирование профиля пакета дрейфующих носителей. Показано, что при дрейфе в ОПЗ диффузия не вызывает иоохчхшичонн;го размытля пакет" в случае, если заряды подвижных носителей и неподвижных ионизованных примесей имеют противоположные знаки. Результирующее распределение характеризуется состоянием диффузионно-дрейфового ршго-весия. Профиль концентрации на фронта пакета совпадает с профилем распределения носителей па гранте обратно смешенного р-п-порохода и определяется длиной экранирования Дебая.

4. Размотана динамическая теория компенсации полупроводников при дрейфе ионов легирующей прикоси, даадая целостное описание процесса на всох стадиях. Теория позволяет количественно оценить основные параметры компенсируемой области, включая и тонкую структуру распределения ионов на фронта с учетом диффузии. Динамическая теория компенсации с учетом захвата дает классификацию и описывает типичные случаи, имеющие место на практике. Показано, что возможность комп ;1сации сохраняется всегда, за исключением случая ухода примеси иа_стоки.

5. Одним из приложений динамической теории явг ся метод определения профиля концентрации лития в компенсированной области по емкостным измерениям. Кроме того, впорвыо экспериментально исследована динамика установления концентрации лития. Это позволило разработать методику измерения подвиглости лития на начальных этапах процесса по скорости изменения градиента концентрации в области п-р-перехода. Также впервые осуществлен дрейф ионов лития из ограниченного резервуара после его истощения. В результате получен эффект отрыва компенсированной области от контакта и показана возможность создания заглубленных кокпенспроваигых слоев.

Содержание диссертационной работы с достаточной полнотой

отражено в научных публикациях:

1. Андреев Б.Ч., Еремин В.К., Ломааевич С.А., Строкан Н.Б. Процесс установления концентрации в пакете неравновесных носителей, инжектированных в р-п-пероход // ОТП. - 1986. -Т. 20. - Выи. 10. - С. 1856-1860.

2. Андреев В.М., Еремин В.К., Строкан Н.Б. Теория компенсации полупроводников методом дрейфа ионов легирующей примеси // ФИ]. - 1987. - Т. 21. - Вып. 9. - О. 1673-1680,

3. Андреев В.М., Еремин В.К., Строкан Н.Б. Переходний ток, ограниченный объемным зарядом, в недообеднешшх структурах

а блокирующими контактами // ФГП. - 1988. - Т. 22. - Вып. 6. - С. 109G-1100.

4. Андреев В.М., Еремин В.К., Строкан Н.Б. Изменение градиента концентрации лития при компенсации полупроводников методом дрейфа ионов // <Ш1. - 1988. - Т. 22. - Вып. 8. - С. 15261528.

5. Андреев В.М., Еромин В.К., Строкан Н.Б. Диффузионные процессы в пакете носителей, дрейфующих в иоле р-п-перехода // ОТП. - 1988. - Т. 22. - Вып. 9. - С. 162S-1C33.

6. Андреев В.М., Еремин В.К., Строкан Н.Б., Шохина Е.В. Определение профиля концентрации лития аря его дрейфе в кремнии но емкостным измерениям // 4M, - 1988. - Т. 22. -Вып. 11. - С. 2039-2042.

7. Андреев D.M., Еремин В.К., Строкан Н.Б. Кинетика тока, ограниченного объемным зарядом, в полупроводниковых ц^-р-р*"-структурах // ФГП. - 1989. - Т. 23. - Вып. 3. - С. 478-482.

Цитированная литература

1. Ламперт М.. Марк П. Инжекционнне токи в тввр-дых телах. - М.:Мир, 1373. - 416 с.

2. Many А., R а к а ч-1 С. П Phya.Rev. - 1962.. -V. 126. - No 6. - P. 1980-1988.

3. S е 1 b t W. // Sol.St.Electron. - 1973. - V. 16. -No 9. - P. 1 CI7-1028.

4. Д a p г к с А. Ю. Измерение дрейфовой скорости в твордах телах. - Вильнюс, 1987. - 203 с.

5. Е р в М и н В. К., С 'f р о к а П Н. Б. // ФТП. - It'#3.-Т. 17. - ВЫП. I. - 0. 139-142.

6. Р в 1 1 Е. М. // J.Appl.Phya. - 1960. - V. 31. - No 2. -P. 291-302.

7. A n t о п о v A. S. // Phys.Stat.Sol. - 1966. - V. 16. -No 2. - P. 76?-770.

8. S e v e г Y., E l с h 1 ri g e г Pv // Nucl.Inatr.Met:h. - 1972. - V. 101. - P. 62-71.

9. Б о л т а к с Б. И. Диффузия и точечные дефекты в полупроводниках. - Л.¡Наука, 1972. - 384 с.

10. Tayendale A.J., А 1 е х 1 о v D., Williams А.А. // Appl.Phys.Lett. - 1985. - V. 47. - Но 3. -P. 316-318.

РТП Л!№,зак.78,тирЛ00,уч.-иэд.л.1;29/ХП-1939г.,Г,Ь28513

Бесплатно