Рекомбинационные процессы в области пространственного заряда p-n-переходов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Ульяновский государственный университет

на правах рукописи

Лакалин Александр Вячеславович

РЕКОМБИНАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ОБЛАСТИ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ЗАРЯДА Р-]Ч-ПЕРЕХОДОВ

специальность 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: кандидат физ.-мат. наук Грушко Н.С.

Ульяновск - 1999

Оглавление

Список сокращений.................................................4

Введение.............................................................5

1. Безызлучательная рекомбинация через глубокие центры 9

1.1. Рекомбинация через примеси и дефекты. Рекомбинацион-

ная статистика----------.-------------------------------------------------------- 9

1.2. Токи, обусловленные рекомбинацией в области пространственного заряда............................................ 14

1.3. Некоторые методы определения параметров глубоких уров-

<-> Л/7

ней........................................................... ¿1

1.4. Кинетические коэффициенты................................ 32

Выводы по главе— ....................................................41

2. Токи рекомбинации в области пространственного заряда 45

2.1. Рекомбинация в области пространственного заряда. Резкие р-п-переходы............................................ 4-5

2.2. Особенности рекомбинации в плавных р-п-переходах— ... 59

2.3. Рекомбинация через центры, распределенные по координате. 70

2.4. Рекомбинация через центры, распределенные по энергии. .. 77

2.5. Рекомбинация через многозарядные центры................ 84

Выводы по главе.......................................................97

3. Исследование генерационно-рекомбинационных процессов с помощью анализа приведенной скорости рекомби-

нации для глубокой примеси золота в кремнии 100

3.1. Определение параметров глубоких уровней из вольтампер-

ной характеристики.........................................100

3.2. Ошибки, возникающие при анализе вольтамперной характеристики с помощью приведенной скорости рекомбинации. 108

3.3. Моделирование тока рекомбинации через глубокие уровни золота в кремнии. ...........................................112

3.4. Экспериментальное исследование р-п-переходов из кремния, легированного золотом. ................................115

3.4.1. Образцы для исследования. ..........................115

3.4.2. Определение концентрации мелкой примеси в р-п-переходах.............................................115

3.4.3. Механизмы, формирующие прямые вольтамперные характеристики исследуемых диодов.................123

3.4.4. Определение параметров глубоких уровней золота в кремнии с помощью приведенной скорости рекомбинации...............................................126

3.4.5. Определение параметров глубоких уровней золота

в кремнии методом термостимулированной емкости. 131 Выводы'по главе...................................................... 132

4. Исследование генерационно-рекомбинационных процессов в области пространственного заряда СаР-светодиодов и эмиттерных переходов Бг-биполярных транзисторов 135

4.1. Исследование генерационно-рекомбинационных процессов в области пространственного заряда СаР-светодиодов зеленого и красного свечения..................................136

4.1.1. Образцы для исследования...........................137

4.1.2. В'ольтфарадные характеристики исследуемых диодов. ...................................................140

4.1.3. Анализ токов рекомбинации в области пространственного заряда GaP-светодиодов с помощью приведенной скорости рекомбинации. ...................140

4.1.4. Определение параметров глубоких уровней в области пространственного заряда GaP-светодиодов методом термостимулированной емкости...............155

4.1.5. Обсуждение результатов.............................160

4.2. Исследование генерационно-рекомбинационных процессов

в области пространственного заряда эмиттерных переходов кремниевых биполярных транзисторов..................161

4.2.1. Образцы для исследования. ..........................162

4.2.2. Вольтфарадные характеристики эмиттерных переходов исследуемых транзисторов.....................163

4.2.3. Анализ токов рекомбинации в области пространственного заряда эмиттерного перехода исследуемых транзисторов с помощью приведенной скорости рекомбинации....................................163

4.2.4. Определение параметров глубоких уровней в области пространственного заряда эмиттерного перехода биполярных транзисторов КТ808АМ методом термостимулированной емкости...................... 170

4.2.5. Обсуждение результатов.............................172

Выводы по главе..................................................... .174

Основные выводы.................................................175

Литература........................................................178

Список сокращений

ОПЗ-область пространственного заряда. ВАХ-вольтамперная характеристика. ВФХ-вольтфарадная характеристика. ТСЕ-термостимулированная емкость.

ТСТ -термостимулированный ток-----------

НСГУ-нестационарная спектроскопия глубоких уровней.

НУИ-низкий уровень инжекции.

БТ-биполярный транзистор.

ГУ-глубокий уровень.

ГЦ-глубокий центр.

ИРЕ - изотермическая релаксация емкости. ИРТ - изотермическая релаксация тока.

Введение

Актуальность проблемы. В реальных полупроводниках всегда имеются дефекты структуры, которые образуют глубокие энергетические состояния в запрещенной зоне. Такие дефекты являются центрами генерации-рекомбинации и играют большую роль в работе полупроводниковых приборов.

В настоящее время значительная часть дискретных полупроводниковых приборов изготавливается на основе р-п-переходов или барьеров металл-полупроводник. В этом случае в структуре появляется область пространственного заряда (ОПЗ). Генерационно-рекомбинационные процессы с участием глубоких уровней в ОПЗ сильно видоизменяют вольт-амперные, вольтфарадные, частотные, спектральные и др. характеристики [1] р-п-переходов и приборов на их основе.

В связи с этим представляется актуальной разработка теоретических моделей, позволяющих анализировать экспериментальные данные, определять параметры центров рекомбинации. Так в работах [2, 3, .4, 5] получили дальнейшее развитие модель рекомбинации Шокли-Рида-Холла и модель многозарядного центра Шокли-Лэста-Саа. В [6, 7] развита корреляционная модель рекомбинации, в [8] теория работы [9] обобщена на случай гетероперехода с линейным изменением ширины запрещенной зоны.

Также актуальной задачей остается разработка методов определения параметров глубоких уровней. Р-п-переходы являются хорошими объектами для исследования, поскольку методы, основанные на рассмо-

трении генерационно-рекомбинационных процессов в ОПЗ с участием глубоких уровней, могут оказаться достаточно чувствительными и эффективными.

Цель и задачи исследований. Целью работы является исследование влияния процесса перезарядки глубоких уровней в ОПЗ р-п-перехода на скорость рекомбинации. Поставленная цель достигается путем решения следующих задач:

1) поиском нового выражения для вольтамперной характеристики (В АХ), обусловленной рекомбинационными процессами в ОПЗ р-п-перехода через простые двухзарядные центры, позволяющего точнее описывать эксперимент;

2) моделированием реальных процессов с участием нескольких двух-зарядных центров, многозарядных центров и центров, распределенных по энергии;

3) разработкой метода определения параметров глубоких центров по анализу тока рекомбинации в ОПЗ при низком уровне инжекции;

4) разработкой алгоритмов и численных процедур по обработке экспериментальных данных для определения параметров глубоких уровней.

Новые научные результаты.

1) Показано, что процессы перезарядки глубоких уровней приводят к особенностям ВАХ при низком уровне инжекции (ширина области смены наклона ВАХ и приведенной скорости рекомбинации, вид приведенной скорости рекомбинации и дифференциального показателя наклона ВАХ, численное значение дифференциального показателя наклона ВАХ), которые можно выявить и использовать как для диагностики механизмов протекания токов, так и для определения параметров глубоких уровней.

2) Получено аналитическое выражение для плотности тока рекомбинации в ОПЗ р-п-перехода через простые двухзарядные центры при низком уровне инжекции, описывающее область смены наклона тока рекомбинации точнее, чем известные из [8, 9].

3) Найден способ преобразования ВАХ путем ее перестройки в другие характеристики, позволяющий выявлять и разделять процессы с участием нескольких центров рекомбинации на составляющие, а также вычислять параметры данных центров.

4) С единой позиции рассмотрены рекомбинационные процессы через простые двухзарядные центры, многозарядные центры и центры, распределенные по энергии. Определены условия применимости соответствующей модели рекомбинации к анализу экспериментальной ВАХ, в т.ч. условия применения модели двух независимых простых двухзарядных центров к анализу тока рекомбинации в ОПЗ через трехзарядный центр.

Положения, выносимые на защиту.

1) Полученное аналитическое выражение для плотности тока рекомбинации в ОПЗ через двухзарядный центр с погрешностью не более б % дает то же значение напряжения для переходной точки, характеризующей область смены наклона тока рекомбинации, что и прямой численный расчет.

2) Найденные преобразования ВАХ (2.27), (4.3) позволяют разделить рекомбинационные процессы реальных р-п-переходов на отдельные составляющие и найти параметры глубоких центров.

3) Разработанный метод позволяет установить в экспериментально исследуемых р-п-переходах наличие рекомбинационных процессов с участием двух- и трехзарядных центров, а также центров, распределенных по энергии.

Практическая ценность работы.

1) Разработан новый метод определения параметров глубоких уровней при фиксированной температуре, определены условия его применимости, выполнена оценка систематических погрешностей.

2) Разработаны алгоритм и программа численной обработки экспериментальных ВАХ для экспрессного определения параметров уровней.

3) Новым методом и методом термостимулированной емкости (ТСЕ) определены параметры ряда центров безызлучательной рекомбинации в р-п-переходах СаР:!^, ОаР: Zn, О и эмиттерных переходах кремниевых биполярных транзисторов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: конференции "Материаловедение в электронной технике - 95", г. Кисловодск, 1995 г.; V ежегодной научно-практической конференции УлГУ, г. Ульяновск, 1996 г.; Третьей российской университетско-академической научно-практической конференции, г. Ижевск, 1997 г.; Международной конференции "Центры с глубокими уровнями в полупроводниках и полупроводниковых структурах", г. Ульяновск, 1997 г.; Всероссийской научно-технической конференции "Микро- и наноэлектроника - 98", г. Звенигород, 1998 г.

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 11 научных работах.

Объем и структура диссертации. Работа изложена на 195 страницах машинописного текста, включает 78 рисунков и 10 таблиц, библиографию из 166 наименований. Состоит из введения, четырех глав, выводов, списка используемой литературы.

1. Безызлучательная рекомбинация через глубокие центры

1.1. Рекомбинация через примеси и дефекты. Ре-комбинационная статистика.

Неравновесная рекомбинационная статистика для электронов и дырок через простой (двухзарядный) центр рекомбинации была разработана Шокли, Ридом [10], Холлом [11], а также другими авторами. Такая модель рекомбинации предполагает, что в запрещенной зоне полупроводника имеется единственный локальный уровень, который может захватывать или отдавать один единственный электрон (а следовательно, находиться только в двух зарядовых состояниях). Результирующая кинетика изменения концентрации электронов и дырок определяется четырьмя процессами: захватом электронов на ловушки, тепловой эмиссией электронов с ловушки в зону проводимости, захватом дырок на ловушки и эмиссией дырок с ловушек в валентную зону. При этом детали механизмов перехода не учитываются, вместо этого вводятся соответствующие эмпирические коэффициенты. Рис. 1.1.

Полупроводники с двумя типами простых центров рекомбинации рассмотрел Чу [12] и некоторые другие исследователи. Однако, как хорошо установлено, многие реальные примеси и дефекты образуют не один, а несколько уровней в запрещенной зоне. Так обстоит дело для Ag, Аи, Си, Ъи в кремнии, Ag, Аи, Си, N1 в германии и т.д. (этот вопрос подробно освещен в [1]). Такие примеси могут находиться в нескольких (более чем

в двух) зарядовых состояниях, соответственно примесной центр может захватывать или отдавать несколько электронов. Поскольку существование данного активного уровня определяется тем, занят или не занят электроном лежащий ниже уровень, то энергетический спектр примесного центра не представляется набором независимых уровней. Поэтому статистика в применении к таким центрам имеет свои особенности.

Равновесная статистика многозарядных центров была рассмотрена Шокли и Лэстом в [13]. Неравновесная статистика рекомбинации для многозарядных центров развита в работе [14]. Главная особенность при рекомбинации через многозарядные центры состоит в том, что тип уровня (будет ли он уровнем рекомбинации или уровнем прилипания) зависит от его положения относительно квазиуровня Ферми (и, следовательно, от уровня инжекции), от температуры. Кроме того при изменении температуры или равновесной концентрации электронов может происходить изменение зарядового состояния центра, что равносильно изменению природы центров рекомбинации [15], [16]. Классической иллюстрацией спектра сложных примесных центров является золото в германии [17]. Примесные центры золота в германии могут находиться в пяти разных зарядовых состояниях: нейтральном, однократно положительно заряженном, однократно, двухкратно и трехкратно отрицательно заряженном. Энергетическая схема для этих пяти состояний центра показана на рис. 1.2.

Однако не все четыре уровня проявляются одновременно (четыре энергетических уровня, связанных с примесью золота, показаны пунктиром). Жирными черточками показаны те "активные" уровни (свободные или занятые электроном), которые в данном зарядовом состоянии проявляются в опытах. Отметим то обстоятельство, что не все четыре уровня, а только два или один в каждом зарядовом состоянии проявляются в опытах.

Дальнейшее развитие теория рекомбинации через многозарядный центр

Рис. 1.1. Схема переходов для двухзарядного центра в простейшем случае. Стрелками показаны направления переходов для электронов.

Заряд -

Ес

4

3 2 1

+1 ч- \\\\\\\\\ч 0 \\\\\\\\\ -1 \\W\W\v -2 ч\\\\\\\У -3 \\\\\\\\\

•

: \\\Чч\\\< N.1 N0 "й-1 шш N-2 N-3 !\ЧЧ

м4

М-

Рис. 1.2. Схема уровней центра с пятью возможными зарядовыми состояниями (например, золото в германии).

получила в работах [5], [18]. Используя модель многозарядного центра, предложенную Шокли, Лэстом, Саа, в [5] получено в несколько иной форме общее выражение для скорости рекомбинации-генерации, и дан анализ этого выражения для двух частных моделей многоуровневого центра: для центра, все уровни которого идентичны, и для центра, уровни которого образуют две группы идентичных уровней. Эти результаты были использованы в [18] для получения выражения для тока, обусловленного рекомбинацией через многоуровневые (многозарядные) центры в ОПЗ р-п-структуры.

Во всех дальнейших работах теория рекомбинации носителей развивалась в различных аспектах и детализировалась. Например, в [19], [4], [20] детально проанализировано, как влияет значение концентрации ре-комбинационных центров N на процесс генерации-рекомбинации в модели Шокли-Рида-Холла. Показано, что в концентрационных зависимостях времен жизни неравновесных электронов тп(М) и дырок тр(^), в целом падающих с увеличением ТУ, при определенных условиях может быть и участок роста на несколько порядков. Это интересный результат, поскольку считалось, что чем больше ./V", тем больше темп захвата неравновесных носителей на примесные центры, а поэтому тем меньше времена жизни носителей.

В отличие от модели рекомбинации Шокли-Рида-Холла, в [7], [21] разработан корреляционный механизм рекомбинации. Его суть состоит в следующем. Модель Шокли-Рида-Холла, как уже говорилось выше, основывается на предположении о том, что глубокий примесный уровень может захватывать носители только одного знака и, таким образом, находиться только в двух зарядовых состояниях. Пусть для определенности примесный центр донорного типа (притягивающий для электронов и отталкивающий для дырок) с энергией Ещ- Тогда процесс рекомбинации состоит в переходе электрона из коллективизированного блоховского состояния зоны проводимости в состояние на примеси и затем в переходе

электрона из этого состояния в незанятое состояние валентной зоны. В корреляционной модели учитывается, что при захвате электрона на уровень Etn образуется связанное состояние с энергией Etp для дырки валентной зоны, на которое последняя может захватиться. Окончательная стадия рекомбинации состоит в переходе локализованного электрона с уровня Etn на локализованное на уровне Etp состояние дырки. После этого примесь возвращается в исходное состояние. Концентрация электро