Релаксационные процессы в Si-МДП-структурах, стимулированные слабым магнитным полем тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

На правах рукописи

НЕСМЕЛОВ СЕРГЕЙ НИКОЛАЕВИЧ

РЕЛАКСАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В БГ-МДП-СТРУКТУРАХ, СТИМУЛИРОВАННЫЕ СЛАБЫМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ

Специальность 01.04.10 - Физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Томск-1998

Работа выполнена в Томском государственном университете и в Сибирском физико-техническом институте

НАУЧНЫЕ РУКОВОДИТЕЛИ : Доктор физико-математических наук,

профессор ДАВЫДОВ В.Н. Доктор физико-математических наук, профессор ВОЙЦЕХОВСКИЙ А.В.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:Доктор физико-математических наук

ХЛУДКОВ С.С. Кандидат физико-математических наук, доцент ХАСКЕЛЬБЕРГ МБ.

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ : Научно-исследовательский институт

полупроводниковых приборов, г.Томск

Защита состоится "Л " и^^л. 1998 г. в 1 5 часов на заседании диссертационного совета К 063.53.05 при Томском государственном университете (634050, пр. Ленина, 36).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Томского государственного университета

Автореферат разослан "_"_1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета И.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы В настоящее время известно, что слабые магнитные поля (Н<10® А/м) способны вызвать длительные релаксационные процессы в термодинамически неравновесных диамагнитных и парамагнитных материалах[1-5]. Экспериментально установлено, что действие слабого магнитного поля приводит к изменению дефектной структуры немагнитных кристаллов. Обнаружены магнитосгимулированные изменения свойств ионных диэлектриков, немагнитных металлов, полупроводников. "Магнитопластический" эффект в ионных кристаллах и эффект упрочнения немагнитных сталей и сплавов после обработки импульсным магнитным полем изучаются уже достаточно давно и уже нашли практическое применение. Свойства полупроводников и полупроводниковых структур после магнитной обработки изучены пока недостаточно полно.

Исследование изменений свойств полупроводников после воздействия слабого магнитного поля находится пока в стадии сбора экспериментальных данных. Актуальность таких исследований определяется тем, что:

а) Слабые магнитные поля могут вызвать релаксации характеристик элементов полупроводниковой электроники [2], поэтому исследование этого явления важно для повышения стабильности полупроводниковой аппаратуры.

Известно применение обработки импульсным магнитным полем для улучшения свойств сталей и сплавов. Получены данные об изменении свойств узкозонных полупроводников после обработки импульсным магнитным полем. Исследование изменений свойств полупроводниковых структур после действия магнитного поля может привести к разработке режимов обработки, вызывающих направленное изменение свойств полупроводников. Технологии, созданные на основе этого эффекта, обладали бы рядом достоинств, по сравнению, например, с ионной имплантацией : бесконтактность, простота и низкая стоимость аппаратуры.

б) Физические причины структурной перестройки в немагнитных полупроводниках после действия слабого магнитного поля остаются дискуссионными. Исследования магнитоиндуцированных изменений свойств полупроводниковых структур должны оказаться полезным в развитии представлений о взаимодействии полей с твердыми телами.

Актуальность темы диссертации подтверждается значительным ростом количества работ, опубликованных по этой тематике в 19951997 г. различными авторами.

Цель и задачи работы. Целью настоящей работы является исследование релаксационных процессов, происходящих в Б! МОП-структурах после воздействия слабого постоянного магнитного поля.

Основные задачи работы:

1) исследование влияния слабого постоянного магнитного поля на интегральные фотоэлектрические и электрофизические характеристики ЗьМОП-структур, выявление закономерностей релаксационных процессов;

2) исследование изменений локальных свойств границы раздела диэлектрик-полупроводник и приповерхностных областей диэлектрика и полупроводника в подэлекгродной и краевых областях 8¿-МОП-структур после воздействия слабого постоянного магнитного поля;

3) выявление закономерностей, характеризующих интегральные и локальные фотоэлектрические свойства магниточувсггвительных МОП-структур, экспериментальное моделирование локального нарушения структуры полупроводника при помощи внешних воздействий.

4) разработка методик экспресс-контроля однородности свойств МДП-сггрукгур при помощи фотозондирования.

Методы исследования. Для достижения поставленной цели использовались малосигнальные фотоэлектрические и

электрофизические методы исследования свойств МДП-структур (измерялись высокочастотные вольт-фарадные характеристики, зависимости фото-ЭДС от напряжения смещения, частоты, температуры). Локальные электрические свойства исследовались при помощи измерений распределений фото-ЭДС по площади МДП-струкгур. При проведении исследований причин фоточувствительности в заэлектродных областях применялся металлографический метод (селективное травление в растворе Сиртла). Основные положения диссертации, представляемые к защите: 1) Перестройка примесно-дефектной структуры Б^МДП структур, вызванная действием постоянного магнитного поля амплитудой порядка 105 А/м, проявляется в долговременных немонотонных изменениях фотоэлектрических свойств МДП-структур, в том числе в изменении пространственной однородности свойств (возникновении и распаде областей аномальной рекомбинации, изменении пленарного распределения темнового сопротивления в полупроводнике и фиксированного заряда в диэлектрике).

2) Особенности фотоэлектрических свойств БьМДП-сгруктур с неоднородным по темновому сопротивлению приповерхностным слоем полупроводника определяются наличием двух различных по механизму образования составляющих фото-ЭДС , имеющих различные фазы и неодинаковые зависимости от напряжения смещения, частоты и температуры. Причиной разделения неравновесных носителей заряда при освещении подэлектродной области является существование вблизи поверхности потенциального барьера, индуцированного напряжением смещения, а при освещении заэлектродных областей - наличие встроенных полей , созданных неравномерным распределением электрически-активных центров в кремнии.

3) Процессы растекания неравновесных носителей в инверсионном слое приводят к появлению пиков на локальных зависимостях фото-ЭДС от напряжения смещения в случае неоднородности по фиксированному заряду под полевым электродом, а также в случае существования инверсионного слоя за пределами полевого электрода. Перераспределение носителей в инверсионном слое и рекомбинация их в заэлектродных областях определяют различия в полевых характеристиках фото-ЭДС на полевом электроде и за его пределами в случае существования инверсионного слоя за пределами полевого электрода.

Достоверность полученных результатов подтверждается: корректностью методик , использованных при исследованиях электрофизических и фотоэлектрических свойств , сопоставлением результатов полученных при помощи различных методик Некоторые результаты проверялись на различных установках для электрических измерений. Полученные в работе сведения о свойствах МДП-струкгур после магнитной обработки согласуются с известными результатами исследований. Результаты работы не противоречат современным представлениям о процессах в твердотельных системах после воздействия слабых магнитных полей.

Научная новизна работы заключается в следующем:

Впервые экспериментально исследовано изменение интегральных и локальных фотоэлектрических свойств п-БьвК^ структур после воздействия слабого магнитного поля. Показано, что воздействие слабого постоянного магнитного поля приводит к изменению распределения фиксированного заряда в диэлектрике, а также электрически-активных дефектов в приповерхностном слое полупроводника, возникновению областей термополевой рекомбинации.

Выявлены особенности фотоэлектрических свойств БьМДП-сгруктур с неравномерным распределением электрически-активных дефектов в приповерхностном слое полупроводника (наличие значительного сигнала фото-ЭДС в режиме обогащения, искажение формы сигнала фото-ЭДС в инверсии , аномальная частотная и температурная зависимости фото-ЭДС).

Установлено, что к появлению пиков на локальных зависимостях фото-ЭДС БьМДП-струкгур приводит растекание неравновесных носителей заряда в подэлектродной и заэлекгродной областях (в случае реализации режима инверсии в заэлектродных областях), а также наличие неоднородности в распределении фиксированного заряда в диэлектрике под электродом.

Показано, что наличие формованного канала в диэлектрике МДП-структуры приводит к появлению областей аномальной рекомбинации носителей заряда , усилению пленарной неоднородности фотоэлектрических характеристик, а также появлению двух пиков плотности поверхностных состояний.

Практическая и научная ценность работы состоит в следующем:

1) разработана методика экспресс-контроля однородности рекомбинационных свойств МДП-структур , а также методика выявления границ таких неоднородностей при помощи локального фотозондирования. Предложенные методики позволяют повысить пространственное разрешение измерений при помощи увеличения частоты модуляции излучения, а также сократить время и трудоемкость измерений.

2) Экспериментальные результаты, полученные в работе , могут использоваться при построении количественной теории магнитоиндухщрованных релаксационных процессов в полупроводниках.

3) Сведения о локальных фотоэлектрических свойствах неоднородных структур, полученные при помощи фотозондирования, необходимо учитывать при интерпретации результатов фотоэлектрических измерений.

Сведения о внедрении результатов диссертации. Методики экспресс-контроля однородности электрических свойств МДП-структур использованы в учебном процессе на кафедре квантовой электроники и фотоники 11У при постановке лабораторных работ, о чем имеется соответствующая справка (Приложение 3).

Предложения по использованию результатов работы. Материалы первой главы , где дается обзор работ , посвященных исследованию

процессов в различных материалах после воздействия слабого магнитного поля, целесообразно использовать в учебном процессе при чтении курсов, посвященных проблемам современной физики твердого тела Методики контроля однородности электрических свойств МДП-структур , описанные во второй главе, целесообразно применять для оценки качества изготовленных структур, а также в учебном процессе при постановке и проведении лабораторных работ, посвященных фотоэлектрическим свойствам МДП-структур. Материалы четвертой главы целесообразно применять при проведении фотоэлектрических измерений , для правильной интерпретации экспериментальных результатов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научной сессии Сибирского физико-технического института (1994 г.), 2 Российской конференции по физике полупроводников (г. Зеленогорск, 1996 г.), международной конференции "Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics" (Uzhgorod-1996), 11 международной конференции по тройным и сложным соединениям (Salford-1997), 4 симпозиуме "Оптика атмосферы и океана"(Томск-1997 г.) 3 международной конференции "Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул"(Томск-1997 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 работ список которых приведен в конце автореферата.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (161 источник ) и трех приложений. Диссертация содержит 121 страницу печатного текста, 108 рисунков (включая а, б, в).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы , сформулированы цель, научная новизна и практическая значимость результатов работы, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дан литературный обзор результатов экспериментальных исследований изменений свойств различных немагнитных материалов после воздействия слабых магнитных полей. В настоящее время достоверно установлено существование "магнитопластического" эффекта в ионных кристаллах, изменений свойств немагнитных металлов и сплавов после магнитной обработки. Эти эффекты уже нашли практическое применение. Свойства

полупроводников и полупроводниковых структур после магнитной обработки изучены пока недостаточно полно. Различные исследователи отмечали, что обработка слабым магнитным полем приводит к перестройке примесно-дефекгной структуры полупроводников и полупроводниковых приборов. Типичной чертой релаксационных процессов после магнитной обработки являе тся немонотонный и долговременный характер изменений. За последние 10 лет обнаружены магнитоиндуцированные изменение свойств различных полупроводников (ТпАэ, ЬгёЬ, ОаАв, НиСсГГе, Б^Се ). и МДП-струкгур на их основе. Наиболее полно исследованы изменения электрофизических характеристик вьБЮг после воздействия импульсным магнитным полем (то есть по сути после электромагнитной обработки). Существует очень мало работ в которых исследовалось бы влияние постоянного или импульсного магнитного поля на фотоэлектрические свойства полупроводниковых приборов (например, совершенно не исследованы изменения фотоэлектрических свойств ЗьМДП-фотоприемников). Данные различных авторов иногда противоречат друг другу (например, изменения свойств кремния обнаружены после воздействия слабого постоянного магнитного поля в [3], но не зафиксированы в [4]). Сделан вывод, что необходимы исследования изменений фотоэлектрических свойств МДП-струкгур после воздействия слабого постоянного магнитного поля.

В последнем разделе главы приведены существующие модели

объясняющие влияние слабых магнитных полей на примесно-

дефектную структуру полупроводниковых кристаллов. Качественно

изменение свойств кремния после магнитной обработки можно

объяснить моделью распада примесно-дефектных комплексов , в „ «.20 которой релаксация ядерной поляризации изотопов Бх инициирует

реакции разрыва химической связи атомов на периферии примесно-

дефектных комплексов тепловыми колебаниями решетки[б]. Полного

объяснения экспериментальные результаты по воздействия слабого

магнитного поля на свойства немагнитных материалов пока не

получили, что связано в первую очередь с недостаточной

экспериментальной изученностью этого явления. Существует две

различные качественные модели для объяснения влияния слабого

магнитного поля на свойства кремния[4,6]. Некоторые выводы,

следующие из этих моделей, противоречат друг другу.

Экспериментальные исследования свойств кремниевых МДП-струкгур

после обработки постоянным магнитным полем должны позволить

сделать выбор в пользу той или иной модели.

На основании анализа литературных данных обоснованы задачи исследований.

Во второй главе приводится описание технологических приемов, применяемых при создании фоточувствительных МДП-сгруктур на основе кремния и методик измерения их малосигнальных интегральных и локальных характеристик, а также автоматизированной экспериментальной установки для исследования электрических характеристик МДП-струкгур.

Интегральные свойства МДП-струкгур исследовались при помощи измерений высокочастотных вольт-фарадных характеристик, а также зависимостей модуля малосигнальной фото-ЭДС от напряжения смещения и частоты модуляции светового потока Измерение высокочастотных вольт-фарадных характеристик позволяет определил, спектр поверхностных состояний, напряжение плоских зон, уровень легирования в приповерхностном слое полупроводника. Измерение частотных зависимостей модуля фото-ЭДС позволяет определить время жизни неосновных носителей заряда в области пространственного заряда, судить о характере рекомбинационных процессов. Зависимость фото-ЭДС от напряжения смещения несет информацию о напряжении плоских зон, уровне легирования, наличии областей термополевой рекомбинации.

Исследования локальных свойств МДП-струкгур проводились на автоматизированной установке. Сканирование поверхности МДП-струкгур выполнялось световым зондом диаметром 30-40 мкм. Возможности установки позволяли хранить полученные экспериментальные графики , а также строить на цветном графическом дисплее 3-х мерные картины распределения фото-ЭДС по площади структур и яркостные картины распределения ( определенные диапазоны значений фото-ЭДС отражаются разными цветами) . Также возможности установки позволяли изучать разнообразные "разрезы" и отдельные строки картины распределения , выявлять локальные области с особенностями и экспериментально исследовать фотоэлектрические свойства в локальных областях.

Обзор основных работ по исследованию свойств МДП-струкгур при помощи фотозондирования позволил установить , что при помощи этого метода обычно исследовались неоднородности по поверхностному потенциалу, уровню легирования, спектру поверхностных состояний , диффузионной длине неосновных носителей. Определение времени жизни неосновных носителей из частотных зависимостей в локальных областях, применявшееся в ряде

работ, нельзя признать удобным способом исследований рекомбинационных неоднородностей. Прежде всего это связано с большой трудоемкостью таких измерений , так как для получения достаточно полной информации необходимы измерения частотных зависимостей в большом числе точек (например, каждое из приведенных в работе распределений фото-ЭДС состоит из почти 5 тысяч экспериментальных точек ). В связи с этим актуальной задачей является разработка методик "экспресс'-контроля однородности рекомбинационных свойств МДП-структур.

Установлено, что измерения распределения по площади модуля фото-ЭДС и сдвига фаз между сигналом фото-ЭДС и опорным сигналом позволяет выявить расположение рекомбинационных неоднородностей под полевым электродом МДП-структуры. При поверхностном поглощении тангенс сдвига фаз между сигналом фото-ЭДС и сигналом, модулирующим излучение можно записать в следующем виде (выражения для действительной и мнимой мастей фото-ЭДС получены в [7]):

•йФ

ЬпЦ^ _ 1т20 _ юС, Иеи^ " " О,

где Ифэ-фото-ЭДС ( соотвегствующая только освещаемой области ). О),С) - проводимость и емкость ОГ13. связанные с рекомбинационнымн процессами, <р - сдвиг фаз ме:кду сигналом локальной фото-ЭДС и опорным сигналом, со - частота модуляции светового потока в рад'с, 70 -импеданс освещаемой области полупроводника, т. = т, • %/2-а ,где т. -время жизни неосновных носителей заряда вблизи поверхности, л -уровень легирования вблизи поверхности. Время жизни неосновных носителей вблизи поверхности можно найти при помощи выражения (Г), . если экспериментально определить действительную и мнимую части импеданса освещаемой области. На основании эквивалентной схемы локально освещаемой МДП-структуры, предложенной в [8], можно получить выражения, связывающие действительную и мнимую части импеданса освещаемой области МДП-структуры с экспериментально определяемыми параметрами. Выражения для ¡1е20 и \rnZo имеют особенно простой вид при измерениях на частоте среза , определяемой из частотной зависимости интегральной фото-ЭДС. Проведено сравнение значений времени жизни неосновных носителей, определенных при помощи предложенной и традиционной методик. В результате численного эксперимента установлено, что шунтирующее действие импеданса неосвещаемой части структуры не изменяет

качественно вид зависимости т,(ф) и следовательно измерение только фазы локальной фото-ЭДС позволяет выявить рекомбииадионные неоднородности. Также показано, что измерение модуля фого-ЭДС на высоких и низких частотах ( по сравнению с частотой среза ) позволяет выявить расположение рекомбинационных неоднородностей. Отношение высокочастотной к низкочастотной фото-ЭДС в локальной точке пропорционально времени жизни в освещаемой области. Предложенные методики позволяют быстро выявить расположение областей с неоднородностью по времени жизни. На рис.1 показаны яркостные распределения фото-ЭДС на частоте 120 Гц и 75' кГц для структуры, имеющей неоднородность по времени жизни.

Рис. 1 Яркостное распределение фото-ЭДС по площади МДП-структуры Fia частоте 120 Гц(а) и 75 кГц(б) (х35).

В третей главе приведены результаты экспериментальных исследований интегральных и локальных электрических свойств Si-Si02 структур после воздействия слабого магнитного ноля. На основании результатов измерений вольт-фарадных характеристик для 50 магнитообработанных структур была построена амплитудная зависимость эффекта, которая носит экстремальный характер с максимумом при амплитуде магнитного поля около I05 А/м. Измерения интегральных зависимостей фото-ЭДС от напряжения смещения показали, что после магнитной обработки для части структур наблюдается изменение вида этой зависимости ( появление изломов или ступенек в обеднении, возникновение пиков фото-ЭДС в инверсии , возникновение или увеличение сигнала фото-ЭДС в режиме обогащения, смещение зависимости вдоль оси напряжений). Для ряда структур отмечалось уменьшение сигнала фото-ЭДС с увеличением

инверсионного напряжения. Смещение зависимости фото-ЭДС вдоль оси напряжений связано с изменением фиксированного заряда в диэлектрике, а появление ступенек и изломов в обеднении с изменением спектра поверхностных состояний. Измерения частотных зависимостей фото-ЭДС показали, что после магнитной обработки изменяется время жизни неосновных носителей в области пространственного заряда (рис.2). Измерения вольт-фарадных характеристик магнитообработанных МДП-структур позволили установить, что в первые дни после магнитной обработки типичным является возникновение пика плотности поверхностных состояний в диапазоне энергий Ес - (0.39-0.44) эВ, а также отрицательного заряда в БЮг Зафиксировано изменение уровня легирования в

приповерхностной области полупроводника после магнитной обработки.

Время, сутки

Рис.2 Зависимость времени жизни неосновных носителей заряда в ОПЗ от срока хранения после магнитной обработки(кривая 1 - для магнитообработанной структуры, кривая 2- для контрольного образца).

Для большинства магнитообработанных структур характерным является немонотонный характер изменений электрических свойств. Длительность релаксационных процессов может составлять несколько месяцев.

При помощи локального фотозондирования исследованы изменения однородности свойств магнитообработанных МДП-сгруюур. Установлено, что воздействие слабого магнитного поля

может приводить к возникновению областей аномальной рекомбинации, образованию областей фоточувствительности за пределами полевого электрода, появлению гистерезиса локальных и интегральных фотоэлектрических характеристик и пиков на локальных зависимостях фото-ЭДС. Построены зависимости основных электрических параметров от времени хранения после магнитной обработки. На рис.3

4.0

2.0 -

V пз, В -

0.0 -

-2.0 -

-4.0

О

I I I I I I 1 М I I I |~Т I I I I I I I I |-ГТ~Ч~Т~1 I | I II I I I I I I I I I II I

20 40 60 80

В рем.я, сутки

Рис.3 Долговременные изменения напряжения плоских зон от времени хранения после магнитной обработки(кривая 1 - для мапштообработанной структуры, кривая 2- для контрольного образца).

О

показаны изменения напряжения плоских зон от времени хранения после магнитной обработки.

На основе полученных результатов в релаксационном процессе оказалось возможным выделить три этапа , отличающихся характером изменений электрических свойств: 1 этап - ( 1-8 дней после магнитной обработки ) увеличение плотности ПС вблизи Ес-(0.39-0.44) эВ, уменьшение времени жизни , возникновение отрицательного фиксированного заряда в диэлектрике , появление пиков на зависимости фото-ЭДС от напряжения, возникновение областей АР; 2 этап - ( 8-20 дней после магнитной обработки) частичное восстановление исходного спектра ПС, увеличение времени жизни, генерация положительного заряда в диэлектрике; 3 этап - (20 дней - 5 месяцев после магнитной обработки ) уменьшение фиксированного

заряда в диэлектрике , увеличение сигнала фото-ЭДС в режиме обогащения, ослабевающие немонотонные изменения спектра ПС и времени жизни, появление гистерезиса фотоэлектрических характеристик, возможно появление и распад областей фоточувствительности в режиме обогащения.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований локальных свойств неоднородных МДП-структур на основе кремния, а также линейки фотодиодов на основе р-ГпАБ. Некоторые особенности фотоэлектрических характеристик магниточувствительных МДП-структур ( большой сигнал фото-ЭДС в обогащении , пики на локальных полевых зависимостях ) не описаны в литературе. Для объяснения этих особенностей проведены дополнительные исследования фотоэлектрических свойств.

При исследованиях фотоэлектрических свойств магнитообработанных структур для части структур было отмечено появление или увеличение сигнала интегральной фото-ЭДС в режиме обогащения после магнитной обработки. Поскольку этот факт может оказаться полезным для понимания процессов , происходящих в Бь БЮ^ структурах после магнитной обработки,проведены исследования фотоэлектрических свойств МДП-стругаур, имеющих значительный сигнал фото-ЭДС в режиме обогащения. Исследования интегральных характеристик показали, что такие структуры имеют следующие особенности в фотоэлектрических свойствах : форма сигнала фото-ЭДС в инверсии резко отличается от синусоидальной, частотные характеристики в обогащении и инверсии различны, фото-ЭДС в инверсии при определенной температуре имеет минимум, соотношение сигналов фото-ЭДС в обогащении и инверсии зависит от интенсивности светового потока.

Исследования локальных свойств показали, что в МДП-структурах, имеющих сигнал в обогащении, есть заэлекгродные области фоточувствительности, в которых сигнал фото-ЭДС слабо зависит от напряжения смещения и находится в противофазе с сигналом подалектродной области. Установлено, что в обогащении в

образовании сигнала фото-ЭДС принимают участие только заэлекгродные области , а в инверсии интегральный сигнал является суммой двух сигналов ( от подэлекгродной и заэлекгродной областей) , имеющих разные фазы и неодинаковые зависимости от напряжения смещения частоты и температуры (рис.4). При помощи метода селективного травления установлено, что в местах расположения заэлекгродных фоточувствительных областей концентрация фигур

травления значительно выше, чем в других г очках полупроводника. Причиной возникновения фото-ОДС п заэлект родных областях является изменение темпового сопротивления си ючки к точке из-за подлегирутощего действия электрически ¡наивных дефекгов ')шг вид фото-ЭДС давно исследовал дня полупроводников с неравномерным

а)

б)

Рис 4 Распределение фою-ОДС по площади структуры

при напряжении смещения 2.6 В (а), -3.0 В (б)( *25).

распределением примеси, для МД11-ст руктур одновременная реализация двух механизмов образования фого')ДС приводит к появлению обнаруженных аномалий фотоэлектрических свойств. Воздействие слабого магнитного поля приподиг к перераспределению электрически активных дефектов в приповерхностном слое кремния Исследования свойств структур, имеющих пики в начале инверсии на локальных зависимостях фою - ЭДС от напряжения смсщения.ноказали. что причиной появления спада фото-ЭДС при инвертирующих напряжениях являются процессы растекания неравновесных носителей заряда. Особенно сильно процессы растекания проявляются в фотоэлектрических характеристиках в случае существования непрерывною инверсионного слоя вдоль поверхности полупроводник - диэлектрик (рис.5). Перераспределение носителей происходит

наиболее интенсивно в режиме сильной инверсии, когда смыкаются подэлекгродный и заэлекгродный инверсионные слои. При этом происходит спад локальной подэлектродной фото-ЭДС так как носители, созданные под полевым электродом уходят в заэлектродные области, где и рекомбинируют. Появление пиков на локальных полевых зависимостях фото-ЭДС возможно и в случае

Рис.5 Зависимости фото-ЭДС от напряжения в локальных областях на полевом электроде (кривая 1 ) и за пределами полевого электрода (кривая 2) для МДП-сгрукгуры с непрерывным инверсионным слоем вдоль поверхности Б^О*

отсутствия инверсионного слоя в заэлектродных областях. Установлено, что в этом случае пики на локальных зависимостях фото-ЭДС для исследованных структур связаны с неоднородностью по фиксированному заряду. Полученные результаты свидетельствуют о том, что для выявления областей аномальной рекомбинации необходимо использовать интегральные фотоэлектрические методы, так как спад локальной фото-ЭДС в инверсии может быть вызван другими причинами. Традиционная эквивалентная схема локально-освещенной МДП-струкхуры в обеднении-инверсии не учитывает проводимости по инверсионному слою, что делает ее мало применимой в режиме сильной инверсии. Предложена эквивалентная схема, учитывающая растекание неравновесных носителей в инверсионном слое. Показано, что в сильной инверсии степень локальности измерений

определяется не диффузионными , а дрейфовыми процессами. Анализ при помощи метода эквивалентных схем позволил получить выражения для локальной и интегральной фото-ЭДС неоднородных МДП-струкгур и сформулировать условия при которых пик будет проявляться на интегральных характеристиках фото-ЭДС от напряжения смещения. Растекание носителей в инверсионном слое снижает степень локальности измерений в сильной инверсии (особенно для структур с большим поверхностным временем жизни и большой подвижностью носителей заряда в инверсионном слое). Преимуществом метода, предложенного в главе 2, является возможность повышения степени локальности измерений при помощи измерений сдвига фаз на высоких частотах, когда импеданс полупроводника меньше и соответственно меньше роль растекания в инверсионном слое.

Для проверки предположений о роли инверсионного слоя при передаче сигнала фото-ЭДС к полевому электроду от удаленных от него точек проведены исследования локальных свойств линейки фотодиодов на основе р-1пАз. Показано, что в образовании фото-ЭДС принимают участие точки удаленные от полевого электрода на расстояния превышающие диффузионную длину неосновных носителей вдоль поверхности.

В пятой главе приведены результаты исследований локальных фотоэлектрических свойств МДП-структур с формующимся диэлектриком, проведено сравнение процессов после формовки диэлектрического слоя и после магнитной обработки, приведено общее обсуждение результатов, полученных в работе.

При исследованиях магнитоиндуцированных свойств материалов часто проводят сравнение процессов после магнитной обработки с процессами, происходящими после других внешних воздействий (ионизирующие облучение[2], микропластическая деформация [5]). Исследования локальных фотоэлектрических свойств структур п-Бь (УгОз-ВзОз-СаО) показали, что гетерогенность фотоэлектрических свойств после формовки изменяется по всей площади полевого электрода, хотя размеры канала формовки не превышают 10 мкм.Полученные результаты можно объяснить тем, что при формовке происходит мощный локальный нагрев вещества • и образование ударной упругой волны через пьезоэффекг и деформационный потенциал решетки. Распространение упругой волны от места формовки вдоль поверхности приводит к образованию дополнительных

структурных нарушений , возникающих в результате рассеяния энергии волны на биографических дефектах решетки полупроводника.

Показано, что в изменениях свойств после магнитной обработки и после формовки имеются общие черты ( усилении гетерогенности фотоэлектрических свойств, увеличение плотности поверхностных состояний, возможно возникновение областей термополевой рекомбинации), что свидетельствует о том, что при этих воздействиях происходит преобразование дефектной структуры полупроводника.

Полученные экспериментальные результаты по магнитной обработке свидетельствуют в пользу качественной теории распада примесно-дефекхных комплексов в процессе релаксации поляризации спиновой системы ядер БР в кремнии [б]. Релаксация ядерной поляризации может привести к разрыву связей на границах примесно-дефекгных кластеров [2] , а также к разрыву напряженных связей на границе раздела и генерации ПС [3]. Большая длительность релаксационных процессов после воздействия слабого магнитного поля, чем длительность процессов после формовки связана, вероятно, с тем, что после магнитной обработки происходит диффузия продуктов распада примесно-дефектных комплексов из объема полупроводника к поверхности[2,б].

Анализ кинетических уравнений [3], характеризующих изменения во времени плотности ПС после магнитной обработки, позволил установить, что немонотонный характер изменения электрических параметров может быть объяснен тем, что дефекты, возникающие в процессе ядерной релаксации, являются неравновесными ( и зависимость концентрации таких дефектов от времени имеет максимум). В случае образования в процессе ядерной релаксации дефектов нескольких типов, влияющих на электрические свойства, а также в случае, если структурные комплексы распадаются на разных расстояниях от границы раздела, зависимость электрических параметров от времени может быть весьма сложной.

Анализ экспериментально полученных спектров ПС магнитообработанных структур свидетельствует о том, что в процессах перестройки дефектной структуры вблизи поверхности после магнитной обработки важную роль играют дефекты вакансионного типа. Распад дефектных комплексов, содержащих вакансии, вблизи поверхности и повторное дефекгообразование непосредственно влияет на электрические характеристики ( 1 и 2 этапы), а перестройка дефектной структуры в объеме полупроводника приводит к диффузии неравновесных дефектов к поверхности и релаксации упругих

напряжений в структуре, что определяет долговременные изменения электрических свойств (3 этап). При этом на 1 этапе возникают рекомбинационные центры в ОГО , а на втором происходит создание мелких центров, глубоких ловушек за счет распада рекомбинационных центров. Возникновение областей с неоднородным распределением темпового сопротивления связано с тем, что в местах зародышей этих областей исходно велика концентрация напряженных и оборванных связей на которые могут захватываться диффундирующие дефекты и примесные атомы ( в некоторых случаях с созданием акцепторных центров ). Различие изменений фиксированного заряда в подэлектродной и заэлекгродной областях становится понятным, если учесть эффект ускорения релаксации при действии электрического поля[2]. При измерениях к полевому электроду прикладывается отрицательное напряжение, что может способствовать ускорению компенсации отрицательного заряда под полевым электродом и отличию заряда под полевым электродом и за его пределами.

В заключении приводятся и обобщаются основные результаты диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1) Установлено, что воздействие слабого постоянного магнитного приводит к долговременным немонотонным изменениям интегральных фотоэлектрических свойств ЗьМДП-сгруктур, что является следствием изменений фиксированного заряда в диэлектрике, плотности поверхностных состояний и уровня легирования, времени жизни неосновных носителей заряда в ОПЗ. Длительность релаксационных процессов может превышать четыре месяца.

2) Показано, что изменения однородности свойств 81-МДП-струкгур после магнитной обработки проявляются в образовании и распаде областей с термополевой рекомбинацией, возникновении областей фоточувствительности за пределами полевого электрода

3) На основании экспериментальных данных в релаксационных процессах после воздействия магнитного поля выделены три этапа, отличающихся характером изменений электрических свойств.

4) Установлено, что причиной появления пиков на локальных иф,(У) -зависимостях ЗьМДП-сгруктур является растекание неравновесных носителей в инверсионном слое. Процессы растекания приводят к появлению пиков на локальных зависимостях фото-ЭДС от напряжения смещения в случае неоднородности по фиксированному заряду под

полевым электродом, а также в случае существования инверсионного слоя за пределами полевого электрода

5) Предложены методики выявления рекомбинационных неоднородностей при помощи измерения распределения сдвига фазы сигнала фото-ЭДС на выбранной частоте, а также при помощи измерений пленарного распределения отношения модуля фото-ЭДС на низких и высоких частотах. В областях, выявленных при помощи предложенных методик, установлена неоднородность по времени жизни при помощи измерений частотной зависимости модуля квазиравновесной фото-ЭДС.

6) Установлено, что растекание носителей в инверсионном слое снижает степень локальности измерений в сильной инверсии (особенно для структур с большим поверхностным временем жизни и большой подвижностью носителей заряда в инверсионном слое). Предложена эквивалентная схема локально-освещенной МДП-структуры, учитывающая процессы растекания. Методики, основанные на измерении фазы фото-ЭДС, позволяют повысить локальность измерений при помощи увеличения частоты модуляции излучения.

7) Показано, что в БьМДП структурах, имеющих значительный сигнал фото-ЭДС в режиме обогащения, существуют заэлектродные области фоточувствительности, которые и определяют сигнал в обогащении. Установлено, что существование двух составляющих фото-ЭДС с разными знаками приводит к появлению ряда особенностей в интегральных и локальных фотоэлектрических свойствах (искажению формы сигнала фото-ЭДС в инверсии, аномальной температурной и частотной зависимости фото-ЭДС в инверсии и др.).

8) При помощи метода селективного травления в растворе Сиртла установлено, что в местах существования заэлектродных областей фоточувствительности повышена концентрация фигур травления. Разделение неравновесных носителей в заэлектродных областях связано с неравномерным распределением темновых носителей из-за подлегирующего действия электрически-активных дефектов.

8) Показано, что в фотодиодах на основе р-ЬпАв возможно наблюдение фото-ЭДС на значительных расстояниях от полевого электрода, что связано с растеканием носителей в инверсионном слое. Обнаружено увеличение интегральной фоточувствительности при освещении линейки фотодиодов постоянной фоновой подсветкой.

9) Установлено, что наличие формованного канала в диэлектрике МДП-структуры приводит к появлению области аномальной рекомбинации носителей заряда , усилению пленарной неоднородности

фотоэлектрических характеристик, а также появлению двух пиков плотности поверхностных состояний . Обнаружено новое высокоомное состояние канала формовки , в котором резко возрастает фоточувствительность структуры и полностью исчезают аномалии рекомбинационных свойств в режиме сильной инверсии.

10) Показано, что изменения электрических свойств МДП-струкгур после воздействия слабого магнитного поля и после формовки диэлектрического слоя имеют как общие черты (увеличение плотности ПС, усиление гетерогенности свойств, возникновение областей аномальной рекомбинации) , так и отличия (формовка не приводит к немонотонным изменениям параметров, длительность релаксации после магнитной обработки значительно больше). Это можно объяснить тем, что при воздействии слабого магнитного поля и формовки происходит структурная перестройка приповерхностного слоя полупроводника

11) Полученные экспериментальные результаты по магнитной обработке свидетельствуют в пользу качественной теории распада примесно-дефекгных комплексов в процессе релаксации поляризации спиновой системы ядер БР в кремнии[6]. Различие изменений фиксированного заряда под полевым электродом и за его пределами подтверждает ранее установленный эффект ускорения релаксации в присутствии электрического поля [2]. Немонотонный характер изменений времени жизни неосновных носителей заряда в ОПЗ, плотности ПС, накопленного в диэлектрике заряда может быть связан с тем, что дефекты, созданные в процессе релаксации ядерной поляризации, являются неравновесными и их концентрация уменьшается после окончания релаксации ядерной поляризации.

12) Анализ экспериментально полученных спектров ПС магнитообработанных структур свидетельствует о том, что в процессах перестройки дефектной структуры вблизи поверхности после магнитной обработки важную роль играют дефекты вакансионного типа. Распад дефектных комплексов, содержащих вакансии, вблизи поверхности и повторное дефектообразование непосредственно влияет на электрические характеристики ( 1 и 2 этапы), а перестройка дефектной структуры в объеме полупро водника приводит к диффузии неравновесных дефектов к поверх ности и релаксации упругих напряжений в структуре, что определяет долговременные изменения электрических свойств (3 этап).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Давыдов В.Н., Несмелое С.Н. Электрофизические и фотоэлектрические свойства МДП-структур с формующимся диэлектриком // Ред. журн. "Известия вузов. Физика".- Томск, 1995.- Деп. в ВИНИТИ 24.10.95.-№2811-В95.

2. Dayydov V.N., Nesmelov S.N. Photo-EMF relaxation in silicon MIS structures induced by an electric pulse // Semiconductors.- 30(8).- August 1996,- P. 747-749.

или Давыдов B.H., Несмелов C.H. Релаксация фото-ЭДС в кремниевых МДП-структур ах после действия электрического импульса // ФТП.-

1996,-т. 30,в. 8 .- С.1419-1425.

3. Давыдов В.Н., Несмелов С.Н. Электрические свойства Si-Si02-сисгем после воздействия магнитного поля // Известия вузов. Физика. -

1997.- в.2.- С.62-66.

4. Давыдов В.Н., Несмелов С.Н. Электрические свойства поверхностно-барьерных структур с формующимся диэлектриком // Известия вузов. Физика,- 1997,- в.5.- С.85-91.

5. Давыдов В.Н., Несмелов С.Н. Изменения спектра поверхностных состояний Si-Si02-crpyKiyp, стимулированные слабым магнитным полем // Известия вузов. Физика,- 1997, в.8,- С.93-98.

6. Voitsekhovskii A.V., Dayydov V.N., Nesmelov S.N. Magnetic field induced prolonged changes of electric parametrs of infrared MOS-photodetectors // Procedings of SPIE.-1997.- v.3182.- P.269-272.

7. Давыдов B.H., Несмелов С.Н. Методика определения спектра поверхностных состояний при помощи фотоэлектрических измерений // Тезисы докладов 2 российской конференции по физике полупроводников.- Зеленогорск, 1996.- т.2,- С.46.

8. Voitsekhovskii A.V., Nesmelov S.N. Measurements of small-signal photo-EMF of MIS-structures in base of HgCdTe using scanning ligth probe // Abstracts of 11 International Conference on Ternary and Multinary Compounds (ICTMC 1 l).-Salford,1997.- P.1.3.

9. Войцеховский А.В., Несмелов С.Н. Фотоэлектрические свойства МДП-фотоприемников ИК-диапазона // Тезисы докладов 4 симпозиума "Оптика атмосферы и океана",- Томск, 1997.- С.205-206.

10. Voitsekhovskii A.V., Davydov V.N., Nesmelov S.N. Magnetic field induced prolonged changes of electric parametrs of infrared MOS-photodetectors // Abstracts of international conference "Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics".-Uzhgorod,1996.- P.88.

11. Давыдов В.Н., Ланская О.Г., Лиленко Е.П., Несмелое С.Н. Особенности фотоэлектрических свойств магнигочувствительных МДП-сгрукгур // Известия вузов. Физика.- 1998,- (принята в печать).

[1] Давыдов В.Н., Лоскутова Е.А., Найден Е.П. Запаздывающие структурные изменения в полупроводниках,стимулированные магнитным полем // ФШ.-1989.-т.23,в.9.-С.159б-1600.

[2] Levin M.N.,Maslovsky V.M. Relaxation processes induced in Si-Si02 systems by ionizing radiation and pulsed magnetic field treating // Solid State Communication.-v. 90 Л»12.-1994.-P. 813-815.

[3] Данилюк А.Л., Нарейко А. И. Колебательная релаксация поверхностной проводимости кремния после воздействия слабого магнитного поля // Поверхность: рентгеновские,синхротронные и нейтронные исследования.-1996,- в.9,- С.27-33.

[4] Левин М.Н., Зон Б. А. Воздействие импульсных магнитных полей на кристаллы Cz-Si // ЖЭТФ,- 1997,- т.111, в.4,- С.1373-1397.

[5] Дацко О.И., Алексеенко В.И., Шахова А.Д. Релаксационные процессы в структуре оловянной бронзы, обработанной импульсами слабого магнитного поля // ФТТ,- 1996.-т.38,в.6.-С. 1799-1805.

[6] Климов Ю.А.,Масловский В.М., Холоднов К.В. Долговременная релаксация параметров полупроводниковых структур после воздействия магнитного поля // ЭТ.сер.З "Микроэлектроника",- 1991.-в.5(144).-С.22-26.

[7] Nakhmanson R.S. Freguency dependence of the photo-EMF of strongly inverted Ge and Si MIS-structures.Theory // Solid State Electronics.- 1975.-v.18, №7/8,- P.617-627.

[8] Давыдов B.H., Криулин A.B., Пломипу Б.Г., Ушеренко А.А. Фотоэлектрические измерения параметров МДП-сгрукгур в локальных областях//Микроэлектроника- 1988.- т.17, в. 4.- С.353-358.

Список цитированной литературы.