Влияние электрического поля на процессы формирования низкочастотного шума в барьерах Шоттки тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

На правах рукописи

Кострюков Сергей Анатольевич

ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА ПРОЦЕССЫ ФОРМИРОВАНИЯ НИЗКОЧАСТОТНОГО ШУМА В БАРЬЕРАХ ШОТТКИ

01 04 10 - физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Рязань - 2007

003071076

Работа выполнена на кафедре биомедицинской и полупроводниковой электроники ГОУВПО "Рязанский государственный радиотехнический университет"

Научный руководитель доктор физико-математических наук,

профессор Холомина Татьяна Андреевна

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Мирошникова Ирина Николаевна кандидат физико-математических наук, доцент Трубицын Андрей Афанасьевич

Ведущая организация ОАО НПП "Сапфир", г.Москва

Защита диссертации состоится "29" мая 2007 в зале заседаний Ученого совета (ауд 235) в 11 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212 211 03 ГОУВПО "Рязанский государственный радиотехнический университет" по адресу 390005, г Рязань, ул Гагарина, д 59/1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО "Рязанский государственный радиотехнический университет"

Автореферат разослан " 0 У_2007 г

сд/1

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212 211 03 доктор технических наук, профессор Ч^П^о ^гч Б И Колотилин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ Большинство элементов современной твердотельной электроники представляет собой барьерные структуры Поэтому одной из наиболее важных прикладных проблем физики полупроводников является повышение воспроизводимости и стабильности параметров полупроводниковых барьерных структур Указанное может быть достигнуто принятием целого комплекса мер, реализованных как в разработке теоретических основ работы приборов, так и в технологии их изготовления путем применения научно обоснованных конструктивно-технологических решений и достоверных методов контроля параметров материалов и приборов

Дефекты структуры, обусловленные примесными атомами, могут создавать энергетические уровни, локализованные в запрещенной зоне полупроводника Такие уровни, отстоящие на несколько кТ (к — постоянная Больцмана, Т-температура) от краев разрешенных зон, называют глубокими (ГУ) Глубокие уровни придают полупроводникам полезные или, чаще, нежелательные свойства Это обусловливает важность как контроля параметров электрически активных центров, так и понимания физической сущности их проявления

В большинстве случаев глубокие центры (ГЦ), создаваемые несовершенством структуры полупроводника, прямо или косвенно приводят к деградации параметров полупроводниковых приборов Наблюдаются "мягкие" обратные вольт-амперные характеристики, как следствие, понижение пробивных напряжений, генерация шума - все это приводит к снижению процента выхода годных приборов Но наибольшие неприятности приносит долговременная деградация параметров прибора Множество работ направлено на выявление (предсказание) скорости деградации и, как следствие, - прогнозирование отказа прибора Многие прогнозы строятся на основе изучения шумовых параметров приборов

Ряд исследователей полагает, что шумовые характеристики являются одним из наиболее информативных источников сведений о протекающих в структуре физических процессах Важным преимуществом таких измерений является неразрушающий контроль качества приборов

Шумовые характеристики приборов определяют порог чувствительности практически всех измерительных датчиков и систем Популярные на сегодняшний день беспроводные системы связи являются ярким примером реализации научных изысканий, основной целью которых являлось снижение уровня шума в канале передачи данных Поэтому изучение физических механизмов генерации шума и роли в этом глубоких уровней является актуальной задачей

Изучению параметров ГУ методом спектроскопии низкочастотного (НЧ) шума посвящено очень большое число работ Анализ состояния проблемы свидетельствует о том, что ряд вопросов, касающихся физических механизмов процессов, протекающих в полупроводниковых приборах с ГУ,

остается открытым В частности, не ясна зависимость спектральной плотности мощности (СПМ) НЧ шума от обратного смещения Актуальность такого вопроса очевидна, поскольку, с одной стороны, часть полупроводниковых приборов функционирует при обратном смещении, а с другой - спектроскопия НЧ шума является тонким экспериментальным методом, позволяющим выяснить физическую природу релаксационных процессов в барьерных структурах

ЦЕЛЬ РАБОТЫ - развитие активационно-дрейфовой модели генерации НЧ шума в физических барьерных слоях путем учета влияния эффекта понижения энергии ионизации ГЦ под действием сильного электрического поля, а также методики спектроскопии НЧ шума для проведения экспериментальных исследований и расширения возможностей диагностики элементов интегральных схем

Поставленная цель достигается решением следующих задач

- Анализ состояния проблемы и тенденций развития математических и физических моделей, описывающих механизмы формирования НЧ шума '

- Выявление зависимости СПМ НЧ шума от обратного смещения в диодах Шоттки на основе кремния и арсенида галлия

- Подтверждение определяющей роли ГУ в механизме генерации шумовой составляющей обратного тока диодов Шоттки, а также форме функциональной зависимости мощности шума от величины обратного смещения

- Разработка модели, описывающей зависимость СПМ НЧ шума от обратного смещения, и сравнение результатов моделирования с опубликованными в литературе и экспериментальными данными

- Разработка и построение автоматизированной установки для измерения СПМ НЧ шума полупроводниковых структур и управляющего программного обеспечения

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ В качестве экспериментальных образцов применены мощные диоды Шотгки на кремнии п-типа проводимости и детекторы рентгеновского излучения на основе арсенида галлия

Предварительная настройка и калибровка установки измерения спектров НЧ шума проводилась на сплавном диоде Д220 с заведомо высокой концентрацией примеси золота (п, = 2 1 10п см"3), имеющей энергию ионизации соответствующего ГУ Д\У( = 0,54 эВ, путем сравнения экспериментальных данных с результатами, полученными методом РСГУ

Исследования параметров глубоких центров (энергии ионизации ДЕ, и концентрации Ы,) проводились методом токовой нестационарной спектроскопии глубоких уровней и спектроскопии низкочастотного шума Концентрация мелкой примеси в образцах контролировалась путем измерения вольт-фарадных характеристик

Для изучения физических процессов в барьерных структурах широко применялись методы численного математического моделирования на ПЭВМ

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1 Физическая модель генерации НЧ шума в полупроводниковых барьерных структурах, позволяет учесть уменьшение энергии ионизации ГЦ под действием электрического поля напряженностью более 104 В/см

2 Уточненное соотношение для расчета энергии ионизации ГУ по частоте точки "излома" на частотной зависимости СПМ НЧ шума позволяет повысить точность определения значения энергии ионизации ГУ на 20%

3 Концентрация ГЦ барьерных структур на основе кремния и арсенида галлия оценивается по напряжению, соответствующему точке перегиба на вольт-шумовой характеристике, при уменьшении концентрации ГЦ точка перегиба смещается в сторону больших значений напряжения обратного смещения.

4 Уровень спектральной плотности мощности низкочастотного шума интегральных детекторов заряженных частиц на основе собственного арсенида галлия определяется глубоким центром хрома (Д\У, = 0,64±0,02 эВ), обнаруженным методом спектроскопии НЧ шума, а также РСГУ

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ

1 Впервые предложено учитывать эффект Френкеля, т е понижение высоты барьера потенциальной энергии кулоновского поля атома под действием внешнего электрического поля напряженностью более 104 В/см в активационно-дрейфовой модели формирования НЧ шума в физических барьерных слоях

2 Предложено объяснять изменение временных параметров процесса генерации НЧ шума в барьерных структурах от величины обратного смещения действием электрического поля на активационный и дрейфовый компоненты процесса релаксации заряда посредством учета изменения энергии ионизации ГЦ в совокупности с ростом времени дрейфа носителей заряда

3 Впервые показано, что в точке перегиба зависимости СПМ НЧ шума от напряжения обратного смещения происходит изменение отношения количества достигших базы к общему числу активированных с глубоких центров носителей заряда

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ

1 Уточнено соотношение для расчета энергии ионизации ГУ по частоте точки "излома" на частотной зависимости СПМ НЧ шума, позволяющее повысить точность определения значения энергии ионизации ГУ на 20%

2 Разработана методика определения частоты перегиба, основанная на выявлении максимального угла между аппроксимирующими зависимость прямыми и позволяющая автоматизировать процесс измерения энергии

ионизации ГУ по частотной зависимости СПМ НЧ шума, что дает возможность проводить измерение энергии ионизации ГУ в реальном времени в условиях производства

3 Экспериментально показано, что для повышения чувствительности интегральных детекторов заряженных частиц и рентгеновского излучения на основе собственного арсенида галлия необходимо уменьшать концентрацию примесей в 1 — области барьерных структур В частности, показано, что присутствие примеси хрома в структуре повышает мощность шума детектора и приводит к снижению его чувствительности

4 Разработана портативная автоматизированная установка для измерения НЧ шума барьерных структур, основанная на получении спектра сигнала методом преобразования Фурье, позволяющая проводить анализ технологии изготовления приборов путем сравнения образцов по уровню шума, вычислять энергию ионизации ГУ по частотным зависимостям СПМ шума, измерять зависимости СПМ НЧ шума барьерных структур при изменении напряжения электрического смещения и температуры

5 Разработано программное обеспечение для созданной автоматизированной экспериментальной установки, оригинальность которого подтверждена авторским свидетельством

Материалы диссертации вошли в методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине "Методы исследования полупроводниковых структур" и используются при подготовке инженерных кадров по специальности "Микроэлектроника и твердотельная электроника"

ДОСТОВЕРНОСТЬ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ подтверждается непротиворечивостью полученных результатов основным положениям физики полупроводников, сопоставлением экспериментальных данных с предложенными автором моделями, совпадением значений исследованных параметров, полученных на одних и тех же образцах, разными методами

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ Результаты работы обсуждались на 30, 31, 33, 34, 35 международных научно-методических семинарах "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах", Москва, МНТОРЭС им А С Попова, МЭИ, 2001-2006 гг, VII международной конференции "Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы" (Владимир, 2005 г), 14-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции "Микроэлектроника и информатика - 2007", Москва, МИЭТ (ТУ), 2007, а также на ежегодных научно-технических конференциях Рязанского государственного радиотехнического университета

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений Объем диссертации - 134 страницы машинописного текста, включая 2 таблицы, 47 рисунков, 2 приложения и список литературы из 93 наименований

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность работы, определены цель и основные задачи, раскрыты научная новизна и практическая значимость результатов, сформулированы основные положения, выносимые на защиту

В первой главе приведен обзор литературы, содержащей результаты исследований влияния обратного смещения на параметры низкочастотного шума барьерных структур Рассмотрены основные теории и гипотезы, лежащие в основе существующих моделей генерации низкочастотного шума

В ряде работ, опубликованных в научно-технической литературе, приведены экспериментальные результаты, свидетельствующие о зависимости параметров НЧ шума и нестационарной (релаксационной) спектроскопии глубоких уровней в физических барьерных слоях, содержащих ГЦ, от приложенного электрического напряжения обратного смещения Между тем, вопрос о природе влияния напряжения обратного смещения на процессы формирования НЧ шума в полупроводниковых барьерных структурах остается открытым

Модель генерационно-рекомбинационного шума Ч Т Са и др, основанная на принципе детального равновесия, справедливом для термодинамически равновесного состояния, не может объяснить зависимость спектральной плотности мощности НЧ шума от приложенного внешнего смещения

Исходные положения моделей ряда других авторов, представляют собой модификации основ модели Ч Т Са и не меняют ее исходных предпосылок, т е состоят в применении принципа детального равновесия к термодинамически неравновесным объектам В ряде работ получено несоответствие экспериментальных результатов с модельными, высказаны критические замечания и сделан вывод о том, что степень расхождения результатов определяется степенью отклонения условий эксперимента от равновесных

Активационно-дрейфовая модель, предложенная в работах П Т Орешкина и др , основана на предположении о том, что процесс генерации НЧ шума в физических барьерных слоях обусловлен флуктуациями генерации и последующего дрейфа в поле ОПЗ носителей заряда, активированных с ГЦ Зависимость СПМ шума от величины приложенного к барьерной структуре обратного смещения и является одним из основных положений активационно-дрейфовой модели Рост СПМ низкочастотного шума при увеличении обратного смещения на барьерной структуре обусловлен ростом вероятности пролета активированных с ГЦ носителей заряда сквозь ОПЗ в электронейтральную область барьерной структуры Однако вопрос о характере функциональной зависимости спектральной плотности мощности от величины напряжения обратного смещения оставался невыясненным

Анализ опубликованных экспериментальных результатов показал, что частотные зависимости спектральной плотности мощности низкочастотного шума Slj) для различных барьерных структур (диодов

Шотгки, несимметричных р-и-переходов и полевых транзисторов) качественно схожи и в общем случае характеризуются наличием ряда точек перегиба (изменения наклона) кривых Характеристические точки на оси абсцисс //,„ при которых происходит изменение наклона зависимостей 5(/), называют также частотами среза, излома или перегиба Характеристические частоты соответствуют совпадению времени релаксации процесса т, ответственного за генерацию НЧ шума, с постоянной времени измерительного сигнала

6)ЬТ= 1, (1)

где Оь = 2 7$ь - круговая частота

Определение энергии ионизации глубоких центров АН] методом спектроскопии НЧ шума осуществляется путем задания модельной функции изменения 7(7), например, по закону Больцмана

т = т0ехр(Л1Г1/кТ) (2)

Условию (2) соответствуют также максимумы температурных зависимостей СПМ НЧ-шума, измеренных для разных барьерных структур при фиксированных частотах Температурные зависимости СПМ избыточного шума для барьерных слоев диодов Шоттки, несимметричных р-л-переходов и полевых транзисторов, имеют качественно сходный характер

Установлено, что в опубликованных в научно-технической литературе работах авторы очень редко указывают способ определения частоты «среза», что ставит под сомнение достоверность определения энергии ионизации глубоких центров в ряде работ и обусловливает необходимость разработки такой методики

Вторая глава посвящена развитию активационно-дрейфовой модели генерации НЧ шума в барьерных структурах, в которой учитывается эффект Френкеля и вводится функциональная зависимость отношения количества достигших базы структуры к количеству активированных с ГУ носителей заряда от напряженности электрического поля в слое пространственного заряда

Одной из возможных причин, вызывающих зависимость временных параметров релаксационных процессов от величины приложенного обратного смещения, является эффект Френкеля, состоящий в понижении эффективной высоты барьера, образованного кривой потенциальной энергии кулоновского поля атома, под действием сильного электрического поля За счет этого уменьшается энергия, необходимая для ионизации атома

Понижение высоты потенциального барьера А1Ур в зависимости от напряженности электрического поля Е барьера для носителей заряда выражается в виде

VЯЕЕ0

Уменьшение энергии ионизации (3) вызывает изменение постоянной времени релаксации активационно-дрейфового процесса В таком случае время релаксации записываем как

X (ш,-\п \ (4)

а (3) преобразуем к виду

I л££а у 2ее0

Расчеты и проведение модельных экспериментов показали, что определяющим фактором в понижении высоты потенциального барьера является концентрация мелкой легирующей примеси Например, для концентрации, большей 1016 см"3, значение энергии понижения высоты потенциального барьера может достигать от 0,05 до 0,1 эВ в зависимости от напряжения смещения

Изменение постоянной времени активационно-дрейфового процесса, учитывающее эффект Френкеля, вычисленное как

где т - постоянная времени активационно-дрейфового процесса без учета эффекта Френкеля, показывает, что при средней напряженности электрического поля в ОПЗ Е = 1,21 105 В/см отношение т/тр составляет 42 раза Иными словами, при вычислении энергии ионизации по излому зависимости СПМ от частоты необходима коррекция результатов вычислений с учетом напряженности поля Значение - энергии

ионизации глубокого уровня при известном напряжении смещения следует находить как

д»,=*Г1п(—!—)+ Ц- [Ей-^-иу (7)

г Тт II *№<> V 2Е£0

где /г - частота излома на зависимости СПМ от частоты, наблюдаемая в эксперименте, и- напряжение смещения, при котором проводятся измерения СПМ В более высокоомных образцах влияние эффекта Френкеля вносит меньшую погрешность в вычисление Д\У, по причине меньшего п0 Можно предположить, что рассматриваемый эффект будет более ярко проявляться в приборах с высокой концентрацией легирующей примеси в базе, те в мощных низковольтных диодных структурах Эффект Френкеля является по-видимому не единственным механизмом активации носителей заряда с глубокого центра в сильных полях Можно предположить наличие механизма лавинного умножения, влияние которого проявляется при напряженностях 105-107 В/м

Для нахождения спектральной плотности мощности флуктуации тока в исследуемой барьерной структуре, содержащей глубокие центры, используют выражение вида.

ЪЮ-ЖПЬ.Щ (8)

я „;1н

л- ¡1 + ео т(х)

где аг- значение среднего квадрата амплитуды случайных импульсов тока,

У,- вероятность заполнения ГУ с концентрацией Л'„ /= 1-/,, V - объем, т -

постоянная времени релаксации Если число генерируемых с ГУ носителей заряда, определяется соотношением п = Д'(/г, то Б(а>) ~ п Те СПМ шума

определяется числом носителей заряда, генерируемых в заданных условиях с глубокого уровня

При увеличении обратного смещения структуры в определенном интервале относительно слабых полей Еч, вклад коротких импульсов, т е импульсов с малым значением ¿/, уменьшается за счет уменьшения числа п, Этот процесс сопровождается увеличением числа более долговременных импульсов При достижении смещения, при котором и = где -некоторое "резонансное" смещение, все непролетные составляющие спектра активационно-дрейфовых процессов (импульсов тока) переходят в пролетные, т е создается единый активационно-дрейфовый процесс '

Таким образом, получаем, что СПМ на фиксированной частоте (в относительно малом диапазоне частот) определяется не столько количеством активированных с ГУ носителей заряда, сколько отношением достигших базы к общему количеству активированных В свою очередь, отношение концентрации пролетевших в базу к общему количеству активированных носителей является функцией напряженности поля (обратного смещения) Согласно активационно-дрейфовой модели эта функция имеет насыщение при смещениях выше некоторого ирез Соответственно (8) преобразуется к виду

= (9)

п у 1 + со т(х)

где, -функциональная зависимость количества достигших нейтральной

части носителей заряда от напряженности электрического поля

В работе установлено, что наиболее близкую к экспериментальным зависимостям форму дает подстановка в (9) функции вида -С (е-е УГ' Полученная при этом форма зависимости СПМ шума от

напряжения смещения аппроксимируется двумя экспоненциальными участками с отличающимися показателями При этом на вольт-шумовой характеристике выделяются экспоненциальный участок с показателем (Хь экспоненциальный участок с показателем а2 и значение напряжения, при котором наблюдается переход от первого участка к второму По напряжению обратного смещения, соответствующему точке перегиба на ВШХ барьерных

' Орешкин П Т Барьерные слои как резонаторы на глубоких ценграх //Известия вузов СССР Физика 1990 № 11 С 21-25

структур, можно оценить концентрацию ГЦ в идентичных по конструкции барьерных структурах

Третья глава посвящена разработке методики измерения энергии ионизации ГЦ по точке перегиба («излому») частотной зависимости СПМ НЧ шума, а также разработке аппаратуры, реализующей эту методику Преимуществом спектроскопии НЧ шума как метода изучения параметров ГЦ в барьерных структурах является квазистационарность условий проведения измерений, что позволяет исключить погрешности, связанные с переходными (динамическими) процессами

Применение цифровой техники для анализа характеристик НЧ шума является в настоящее время наиболее перспективным Большинство настроек переносится в область программирования, что значительно упрощает эксплуатацию измерительной установки Кроме того, цифровая техника дает практически неограниченные возможности в сфере обработки и форме представления экспериментальных результатов Однако, как и вся цифровая техника, ЭВМ является источником электромагнитного излучения широком спектре частот Поэтому встает вопрос об уменьшении влияния помех, создаваемых ЭВМ, на результаты измерений шумовых параметров приборов Один из вариантов решений рассмотрен автором диссертации в работах [1-3], где предложен способ минимизации помех путем устранения гальванической связи между чувствительными цепями установки и ЭВМ Функциональная схема разработанной установки представлена на рисунке 1

Рисунок 1- Функциональная екема установки 1-гальваническая развязка, 2-пачять (ОЗУ), 3-контролпер, 4-аналого-цифровой преобразователь 5-источник питания, 6-буферный усилитель, 7-малошумящий усилитель, 8-образец, 9-чержагеть образца 10-датчик температуры 11-нагреватель

В состав измерительного комплекса входит ЭВМ типа IBM PC и внешний блок, обеспечивающий аналоговую обработку и преобразование в цифровую форму входного сигнала ЭВМ и внешний блок связаны между собой через стандартный последовательный (USART) порт

Сигнал, поступающий с образца, усиливается, преобразуется в цифровую форму и сохраняется в буферной памяти Таким образом, формируется выборка исследуемого сигнала По команде с ЭВМ выборка передается в компьютер для математической обработки Функциональные и конструктивные особенности разработанной автором диссертации установки опубликованы в [2, 5, 6]

После поступления выборки исследуемого сигнала (в нашем случае НЧ шума) в ЭВМ производится ее математическая обработка, заключающаяся в вычислении спектральной плотности мощности входного сигнала как Фурье-преобразования от его автокорреляционной функции

Оригинальность разработанного автором диссертации программного обеспечения подтверждена свидетельством о регистрации программного продукта №5740 от 21 февраля 2006 г

Вычисление спектральной плотности мощности с помощью процедур, использующих дискретное преобразование Фурье (ДПФ), эффективно в вычислительном отношении и обеспечивает получение приемлемых результатов для большого класса задач Однако процедуры вычисления ДПФ вносят искажения в результирующий спектр сигнала Одним из способов уменьшения вносимых искажений является оптимальный выбор весовой функции окна Анализ искажений, вносимых в спектральные зависимости плотности мощности НЧ шума при использования весовых функций типа прямоугольного или треугольного окна, окна Хэннинга и окна соз3(х), показал, что последняя из перечисленных весовых функций является наиболее простой в программной реализации и обеспечивающей минимальные искажения сигнала (необходимый спад боковых лепестков) Результаты проведенных автором модельных экспериментов и расчетов опубликованы в [5]

Для экспериментальных спектров НЧ шума обычно необходимо сглаживание Автором диссертации разработана методика, совмещающая в единой программе процедуры сглаживания и поиска точки изменения наклона спектральной кривой Методика совмещения процедур состоит в разработке алгоритма и программы аппроксимации зависимости СГТМ от частоты в двойных логарифмических координатах кусочно—линейной функцией При этом критерием поиска частоты излома является максимальное значение угла между аппроксимирующими прямыми

Проверка эффективности предложенного способа была проведена на основе представлений активационно-дрейфовой модели генерации НЧ шума Для этого был синтезирован спектр шума барьерной структуры, содержащей два ГУ с АХУ,] = 0,49 эВ и ДШ,2 = 0,60 эВ Модельный спектр НЧ шума барьера Шоттки с сопротивлением базы образца р = 1,12 1016 Ом см при комнатной температуре Т = 300 К представлен кривой 1 рисунка 2 ГУ с энергией ионизации Д\У,2 введен для имитации физических представлений о спектре вида ]/как суперпозиции лоренцианов от нескольких глубоких центров Соответствующий этому ГУ лоренциан представлен кривой 3 на рисунке 2 Подобный спектр соответствует реально наблюдаемым в

экспериментах кривым Шумовая составляющая вносилась в исходные данные искусственно с помощью генератора случайных чисел с нормальным распределением

На рисунке 3 представлена зависимость угла между аппроксимирующими отрезками от выбора частоты, соответствующей точке пересечения отрезков Максимум функции, представленной на рисунке 3, расположен на частоте 650 Гц, что позволяет получить, согласно (3),(8) значение энергии ионизации Д\У( = 0,50 эВ, которое совпадает с исходным заданным значением ДХУц = 0,49 эВ с точностью до кТ

Рисунок 2 - Модельный спектр НЧ Рисунок 3 - Зависимость угла между

шума барьера Шоттки на кремнии (I) аппроксимирующими отрезками

и составляющие его лоренцианы (2,3) от положения точки их пересечения

Разработанная и реализованная методика отличается простотой и универсальностью относительно формы представления входных данных, которыми могут быть результаты, полученные при помощи измерительной установки или оцифрованные графические зависимости из литературных источников При относительной простоте реализации этот способ позволяет исключить субъективную составляющую погрешности, поскольку работает на таких конкретных математических критериях как значения минимального среднеквадратического отклонения и максимума функции Результаты настоящего раздела опубликованы в работе [5]

Четвёртая глава посвящена экспериментальному исследованию шумовых характеристик детекторов заряженных частиц на основе арсенида галлия и мощных диодов Шоттки

Полуизолирующий арсенид галлия (¡-ОаАБ) — перспективный материал для создания координатных детекторов заряженных частиц и рентгеновского излучения, поскольку обладает большей по сравнению с кремнием радиационной стойкостью и чувствительностью к рентгеновскому излучению (вследствие большей атомной массы), а также возможностью создания на подложках из (-ваЛв монолитно-интегрированных устройств, включающих детектор и быстродействующую схему обработки сигналов Проблемы, возникающие при практической реализации детекторов, связаны с наличием высокого уровня собственных избыточных шумов

Тестовые барьерные структуры были изготовлены на предприятиях Москвы и Брянска Задачей исследования было изучение особенностей шумовых характеристик образцов

В результате проведенных исследований было обнаружено, что СГТМ НЧ шума детекторов заряженных частиц и рентгеновского излучения, изготовленных по одинаковой технологии на разных предприятиях, различалась на 2 - 3 порядка ветчины (рисунок 4) Форма спектра НЧ шума группы образцов №2 свидетельствовала о присутствии в них определенной концентрации глубоких центров Для вычисления энергии ионизации этого уровня были проведены измерения зависимости СПМ НЧ шума от температуры образца Измерения проводились в диапазоне температур от 28 до 97 °С По частотам, соответствующим точкам изменения наклона спектральных кривых, была построена зависимость времени релаксации от обратной температуры (прямая Аррениуса) Зависимость Аррениуса для образца группы № 2 приведена на рисунке 5 Значение энергии ионизации исследуемого глубокого уровня составило W, = 0,62+0,05 эВ, что соответствует энергии ионизации акцепторного уровня хрома в арсениде галлия

5, 10 \ Г< ,,

fer J

Рисунок 4 - Зависимости СПМ НЧ шума от частоты для образца группы №2- кривая 1 и № 3 - кривая 2

ю: Г к '

Рисунок 5 - Зависимость времени релаксации от обратной температуры (прямая Аррениуса) для образца группы №2

На спектре НЧ шума для образцов группы №3 (рисунок 4, кривая 2) наблюдаются изломы, но, по-видимому, сигнал от исследуемого ГУ при температурах выше 30° С маскируется иными источниками шума

Для проверки результатов, полученных методом спектроскопии НЧ шума, образцы исследовались методом РСГУ В структурах №2 обнаружено несколько глубоких центров, в диапазоне температур 300-370 К зарегистрирован ГУ с энергией ионизации ДУ/и = 0,64±0,02 эВ

Полученное совпадение результатов измерения энергии ионизации ГУ методами спектроскопии НЧ шума и РСГУ доказывает достоверность результатов, полученных методом спектроскопии НЧ шума с помощью разработанной и созданной установки, способа выделения точки изменения наклона аппроксимирующих спектр прямых, а также методики расчета энергии ионизации в соответствии с модельными представлениями, обоснованными автором в главе 2

Анализ результатов исследования вольт-шумовых характеристик детекторов заряженных частиц (рисунок 6) свидетельствует о том, что зависимость СПМ от напряжения обратного смещения наиболее точно аппроксимируется двумя экспоненциальными зависимостями что соответствует изложенным выше модельным представлениям, основанным

на предположении об экспоненциальной зависимости количества достигших базы носителей заряда от напряженности поля

Для изучения зависимости параметров барьерных структур от особенностей их шумовых характеристик проведены исследования ВШХ мощных диодов Шоттки на кремнии На экспериментальных ВШХ наблюдались аналогичные рассмотренным для характеристик детекторов на основе арсенида галлия участки, описываемые экспоненциальными зависимостями вида S ~ е°и, смешенными друг относительно друга по оси напряжений Коэффициент а изменялся в диапазоне от 0,07 до 0,5

S »10 >» -

Alu,,,,.. g f _

/:„ . *, :

к»1 -ч" - -

I 10 1 - ----

„ *

In» t f

l 10 5 ^-——--—-J---—-j-"-;-

1 В

Рисунок 6 - Зависимости СГ1М шума от напряжения обратного смещения для детекторов заряженных частиц Образцы №2 -кривая 1, №3 - 2 Аппроксимация экспоненциальной зависимостью

представлена прямыми 3

Проведенные исследования заключение Наличие определенной концентрации глубоких центров в образце приводит к тому, что форма ВШХ изменяется таким образом, что на ней можно выделить два участка, аппроксимируемые зависимостями вида S — е°и, отличающимися коэффициентами а и смещенными друг относительно друга по оси напряжений Особенно четко это проявлялось на высокоомных структурах Ga'i-As (рисунок 6, кривые 1, 2) Кроме того, структуры с большей концентрацией ГЦ имели большую плотность мощности НЧ шума независимо от величины удельного сопротивления образца Такое различие в уровне сигналов в ряде случаев не позволило выделить начальный участок ВШХ в кремниевых диодах Шоттки с малой концентрацией ГЦ (рисунок 7, кривая 2), однако в аналогичных структурах с большей концентрацией ГЦ начальный участок ВШХ выделялся более явно (рисунок 7, кривая 1) Такие формы зависимостей СПМ НЧ шума от напряжения качественно совпадают с предсказанными в главе 2, что подтверждает высказанные там же предположения

Наличие точки, в которой происходит смена коэффициента а, объясняется следующим образом Увеличение напряженности поля приводит к тому, что увеличивается часть достигших нейтральной области носителей заряда, это приводит к увеличению амплитуды шумовой составляющей обратного тока структуры В то же время увеличение напряженности электрического поля приводит к понижению потенциального барьера для валентного электрона атома ГЦ, что, в свою очередь, вызывает рост

и й

Рисунок 7 - Зависимости СПМ шума от напряжения обратного смещения для диодов Шоттки Аппроксимация экспоненциальной зависимостью

представлена прямыми 3 и 4

позволяют сделать следующее

количества активированных с ГУ носителей Одновременное действие электрического поля как на дрейфовую, так и на генерационную составляющие приводит к резкому росту числа носителей, достигших области базы и давших вклад в общий шумовой ток

Переход к более "пологой" зависимости (меньшему значению а) происходит за счет исключения одного из компонентов механизма формирования импульсов тока Происходит "насыщение" или истощение количества активированных с ГУ носителей заряда, в то время как все активированные носители достигают области базы структуры Роль мелкой примеси заключается в формировании напряженности поля в слое ОПЗ Концентрация глубокой примеси отвечает за "начало истощения" потока активированных носителей заряда Следовательно, положение точки "излома" (точки изменения коэффициента а на ВШХ) будет определяться соотношением концентраций «мелкой» и «глубокой» примесей Чем больше концентрация мелкой примеси, тем выше напряженность поля при одном и том же приложенном напряжении, следовательно при меньших значениях напряжения обратного смещения вклад носителей с ГУ в шумовую составляющую обратного тока становится значительным Указанное подтверждено экспериментально наличием очень малого начального участка зависимости спектральной плотности мощности НЧ шума от напряжения в мощных кремниевых диодах Шоттки, где концентрация мелкой примеси была значительной

Таким образом, элементы развития физической модели генерации НЧ шума в барьерных структурах и модельные представления, объясняющие ВШХ, предложенные автором и подтвержденные экспериментально, являются основой проведения практического экспресс-анализа барьерной структуры на наличие глубоких центров по форме низкочастотной вольт-шумовой характеристики

Заключение содержит следующие результаты и выводы

1 Впервые применены представления эффекта Френкеля, т е понижение энергии ионизации ГЦ под действием электрического поля напряженностью более 104 В/см к физической модели генерации НЧ шума в барьерных структурах, содержащих ГЦ Показано, что указанный эффект вызывает сдвиг по частоте точки "излома" на частотной зависимости спектральной плотности мощности НЧ шума, на основании чего обоснована необходимость коррекции значения энергии ионизации глубокого уровня, найденной по "излому" частотной зависимости СПМ НЧ шума с учетом величины напряжения обратного смещения, при котором проводилось измерение

2 Проведено дальнейшее развитие физической модели генерации НЧ шума в полупроводниковых барьерных структурах, состоящее во введении экспоненциальной зависимости отношения количества достигших базы структуры к количеству активированных с ГУ носителей заряда от напряженности электрического поля, что приводит к формированию

прямолинейных участков на вольт-шумовых характеристиках 1п(Б) -/(11) на фиксированной частоте

3 Установлена взаимосвязь формы вольт-шумовой характеристики (ВШХ) диодов Шотгки в виде двух функций вида Б - еаи (где Б - значение спектральной плотности мощности шума, и - напряжение обратного

смещения, а - коэффициент), смещенных друг относительно друга по оси напряжений, с наличием электрически активных центров в барьерной структуре

4 Разработана и создана автоматизированная установка, позволяющая измерять СПМ НЧ шума с чувствительностью на частоте 1 Гц - 100 нВ/^Гц, на частоте 100 Гц - 20 нВ/^Гц В отличие от прототипов

установка позволяет анализировать спектр НЧ-шума в диапазоне 0 1 — 1000 Гц одновременно Оригинальность разработанного автором программного обеспечения подтверждена свидетельством о регистрации программного продукта № 5740 от 21 02 06

5 Разработана и реализована методика автоматизированного поиска и выявления точки изменения наклона отрезков, аппроксимирующих спектры НЧ шума Разработанный способ основан на поиске максимального значения угла между аппроксимирующими спектр отрезками и совмещает операции сглаживания и поиска точки перегиба в единой процедуре

6 Проведены комплексные экспериментальные исследования и установлено, что уровень спектральной плотности мощности избыточного шума интегральных детекторов заряженных частиц и рентгеновского излучения на основе собственного арсенида галлия определяются глубоким уровнем хрома с энергией ионизации ДШ, = 0,64±0,02 эВ, найденной методами РСГУ и спектроскопии НЧ шума

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1 Кострюков С А Малошумящий усилитель для исследования НЧ шума // Физика полупроводников Микроэлектроника Радиоэлектронные устройства. Межвузовский сборник научных трудов Рязань РГРТА, 2001 С 45-47

2 Кострюков С А Автоматизированная установка для измерения СПМ низкочастотных шумов //Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах Материалы междунар науч -методич семинара - М МНТРОЭС им А С Попова, МЭИ, 2003 С 23-25

3 Кострюков С А Повышение помехоустойчивости установки для измерения параметров НЧ-шума //Физика полупроводников Микроэлектроника Радиоэлектронные устройства Межвузовский сборник научных трудов Рязань РГРТА, 2003 С 27-29

4 Кострюков С А Автоматизированное определение энергии ионизации глубоких центров по спектрам низкочастотного шума // Физика

полупроводников Микроэлектроника Радиоэлектронные устройства Межвузовский сборник научных трудов Рязань РГРТА, 2004 С 13-16

5 Кострюков С А Выделение частоты перегиба кривой спектральной плотности мощности НЧ-шума // Физика полупроводников Микроэлектроника Радиоэлектронные устройства Межвузовский сборник научных трудов Рязань РГРТА, 2005 С 31-34

6 Кострюков С А , Холомина Т А, Дубовиков А В Влияние электрического поля на спектры НЧ-шума барьерных структур //Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах Материалы междунар науч -методич семинара - М МНТРОЭС им А С Попова, МЭИ, 2005 С 45-51

7 Кострюков С А, Холомина Т А Особенности анализа сигналов низкочастотного шума методом дискретного преобразования Фурье //Измерительная техника 2005 №12 С 47-50

8 Кострюков С А Установка шумовой спектроскопии глубоких уровней //Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы Труды VII международной коференции - Ульяновск УлГУ, 2005 С 68-69

9 Кострюков С А Влияние распределения вероятности генерации носителей в области пространственного заряда барьерной структуры на процессы формирования НЧ-шума // Физика полупроводников Микроэлектроника Радиоэлектронные устройства Межвузовский сборник научных трудов Рязань РГРТА, 2006 С 9- 17

10 Кострюков С А, Холомина ТА Программное обеспечение НЧ шумовой спектроскопии глубоких уровней //Известия вузов Электроника №4 2006 С 36-43

11 Свидетельство об отраслевой регистрации разработки "Вычисление спектральной плотности мощности низкочастотных шумов" № 5740 от 21 02 2006

12 Кострюков С А , Холомина ТА Анализ влияния электрического поля на параметры НЧ шума барьерных структур //Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах Материалы междунар науч -методич семинара - М МНТРОЭС им А С Попова, МЭИ, 2007 С 92-97

13 Кострюков С А, Родин МС Исследование параметров глубоких ловушечных центров в детекторах заряженных частиц и рентгеновского излучения на основе AI/i-GaAs //Материалы 14-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции "Микроэлектроника и информатика - 2007", Москва, МИЭТ (ТУ), 2007 С 45-48

Кострюков Сергей Анатольевич

ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА ПРОЦЕССЫ ФОРМИРОВАНИЯ НИЗКОЧАСТОТНОГО ШУМА В БАРЬЕРАХ ШОТТКИ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Подписано в печать 20 04 2007 Формат бумаги 60x84 1/16 Бумага ксероксная Печать трафаретная Уел печ л 1,0 Уч-изд л 1,0 Тираж 100 экз

Рязанский государственный радиотехнический университет 390005, Рязань, ул Гагарина, 59/1

Введение.

Глава 1. Природа НЧ шума в барьерных структурах

1.1 Основные параметры и характеристики НЧ шума

1.2 Модели, описывающие механизмы генерации низкочастотного шума

1.3 Использование статистики Шокли-Рида для описания механизма генерации НЧ шума

1.4 Активационно-дрейфовая модель формирования

НЧ шума в барьерных структурах

1.5 Зависимость характеристик НЧ шума от внешних факторов . 28 Выводы по главе

Глава 2. Развитие активационно-дрейфовой модели генерации

НЧ шума в барьерах Шоттки и несимметричных р-n перходах

2.1 Зависимость времени релаксации активационно-дрейфового процесса от напряжённости поля в ОПЗ.

2.2 Зависимость плотности мощности НЧ шума на фиксированной частоте от величины напряжения обратного смещения.

Выводы по главе

Глава 3. Разработка автоматизированной экспериментальной установки для исследования НЧ шума

3.1 Основные требования к методике измерения зависимости СПМ НЧ шума от напряжения смещения

3.2 Требования к измерительной установке

3.3 Функциональная схема установки

3.4 Разработка программного обеспечения

3.5 Параметры разработанной установки

3.6 Способ выделения частоты изменения наклона кривой аппроксимирующей спектр НЧ шума

3.7 Методика эксперимента

Выводы по главе

Глава 4. Исследование спектров НЧ шума полупроводниковых структур с барьером Шоттки

4.1 Исследование спектров НЧ шума детекторов заряженных частиц и рентгеновского излучения на основе Al/i-GaAs

4.2 Исследование вольт-шумовых характеристик детекторов заряженных частиц

4.3 Исследование мощных кремниевых диодов Шоттки с помощью спектроскопии НЧ шума

Выводы по главе

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Большинство элементов современной твердотельной электроники представляет собой барьерные структуры. Поэтому одной из наиболее важных прикладных проблем физики полупроводников является повышение воспроизводимости и стабильности параметров полупроводниковых барьерных структур. Указанное может быть достигнуто принятием целого комплекса мер, реализованных как в разработке теоретических основ работы приборов, так и в технологии их изготовления путём применения научно обоснованных конструктивно-технологических решений и достоверных методов контроля параметров материалов и приборов.

Дефекты структуры, обусловленные примесными атомами, могут создавать энергетические уровни, локализованные в запрещённой зоне полупроводника. Такие уровни, отстоящие на несколько кТ {к - постоянная Больцмана, Т- температура) от краёв разрешённых зон, называют глубокими (ГУ). Глубокие уровни придают полупроводникам полезные или, чаще, нежелательные свойства. Это обусловливает важность как контроля параметров электрически активных центров, так и понимания физической сущности их проявления.

В большинстве случаев глубокие центры (ГЦ), создаваемые несовершенством структуры полупроводника, прямо или косвенно приводят к деградации параметров полупроводниковых приборов. Наблюдаются "мягкие" обратные вольт-амперные характеристики, как следствие понижение пробивных напряжений, генерация шума - всё это приводит к снижению процента выхода годных приборов. Но наибольшие неприятности приносит долговременная деградация параметров прибора. Множество работ направлено на выявление (предсказание) скорости деградации и, как следствие, - прогнозирование отказа прибора. Многие прогнозы строятся на основе изучения шумовых параметров приборов.

Ряд исследователей полагает, что шумовые характеристики являются одним из наиболее информативных источников сведений о протекающих в структуре физических процессах. Важным преимуществом таких измерений является неразрушающий контроль качества приборов.

Шумовые характеристики приборов определяют порог чувствительности практически всех измерительных датчиков и систем. Популярные на сегодняшний день беспроводные системы связи являются ярким примером реализации научных изысканий, основной целью которых являлось снижение уровня шума в канале передачи данных. Поэтому изучение физических механизмов генерации шума и роли в этом глубоких уровней является актуальной задачей.

Изучению параметров ГУ методом спектроскопии низкочастотного (НЧ) шума посвящено очень большое число работ. Анализ состояния проблемы свидетельствует о том, что ряд вопросов, касающихся физических механизмов процессов, протекающих в полупроводниковых приборах с ГУ, остаётся открытым. В частности не ясна зависимость спектральной плотности мощности (СПМ) НЧ-шума от обратного смещения. Актуальность такого вопроса очевидна, поскольку с одной стороны часть полупроводниковых приборов функционирует при обратном смещении, а с другой - спектроскопия НЧ шума является тонким экспериментальным методом, позволяющим выяснить физическую природу релаксационных процессов в барьерных структурах.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ - развитие активационно-дрейфовой модели генерации НЧ шума в физических барьерных слоях путём учёта влияния эффекта понижения энергии ионизации ГЦ под действием сильного электрического поля, а также методики спектроскопии НЧ шума для проведения экспериментальных исследований и расширения возможностей диагностики элементов интегральных схем.

Поставленная цель достигается решением следующих задач.

- Анализ состояния проблемы и тенденций развития математических и физических моделей, описывающих механизмы формирования НЧ шума.

- Выявление зависимости СПМ НЧ шума от обратного смещения в диодах Шоттки на основе кремния и арсенида галлия.

- Подтверждение определяющей роли ГУ в механизме генерации шумовой составляющей обратного тока диодов Шоттки а также форме функциональной зависимости мощности шума от величины обратного смещения.

- Разработка модели, описывающей зависимость СПМ НЧ шума от обратного смещения, и сравнение результатов моделирования с опубликованными в литературе и экспериментальными данными.

- Разработка и построение автоматизированной установки для измерения СПМ НЧ шума полупроводниковых структур и управляющего программного обеспечения.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. В качестве экспериментальных образцов применены мощные диоды Шоттки на кремнии n-типа проводимости и детекторы рентгеновского излучения на основе арсенида галлия.

Предварительная настройка и калибровка установки измерения спектров

НЧ шума проводилась на сплавном диоде Д220 с заведомо высокой

11 1 концентрацией примеси золота (nt = 2.1-10 см"), имеющей энергию ионизации соответствующего ГУ AWt = 0,54 эВ, путём сравнения экспериментальных данных с результатами, полученными методом РСГУ.

Исследования параметров глубоких центров (энергии ионизации AEt и концентрации Nt) проводились методом токовой нестационарной спектроскопии глубоких уровней и спектроскопии низкочастотного шума. Концентрация мелкой примеси в образцах контролировалась путём измерения вольт-фарадных характеристик.

Для изучения физических процессов в барьерных структурах широко применялись методы численного математического моделирования на ПЭВМ.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. Физическая модель генерации НЧ шума в полупроводниковых барьерных структурах, позволяет учесть уменьшение энергии ионизации ГЦ под действием электрического поля напряжённостью более 104 В/см.

2. Уточненное соотношение для расчета энергии ионизации ГУ по частоте точки "излома" на частотной зависимости СПМ НЧ шума позволяет повысить точность определения значения энергии ионизации ГУ на 20%.

3. Концентрация ГЦ барьерных структур на основе кремния и арсенида галлия оценивается по напряжению, соответствующему точке перегиба на вольт-шумовой характеристике; при уменьшении концентрации ГЦ точка перегиба смещается в сторону больших значений напряжения обратного смещения.

4. Уровень спектральной плотности мощности низкочастотного шума интегральных детекторов заряженных частиц на основе собственного арсенида галлия определяется глубоким центром хрома (AWt = 0,62±0,02 эВ), обнаруженным методом спектроскопии НЧ шума, а также РСГУ.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ 1. Впервые предложено учитывать в активационно-дрейфовой модели формирования НЧ шума в физических барьерных слоях эффект Френкеля, т.е. понижения высоты барьера потенциальной энергии кулоновского поля атома под действием внешнего электрического поля напряжённостью более 104 В/см.

2. Предложено объяснять изменение временных параметров процесса генерации НЧ шума в барьерных структурах от величины обратного смещения действием электрического поля на активационный и дрейфовый компоненты процесса релаксации заряда посредством учёта изменения энергии ионизации ГЦ в совокупности с ростом времени дрейфа носителей заряда.

3. Впервые показано, что в точке перегиба зависимости СПМ НЧ шума от напряжения обратного смещения, происходит изменение отношения количества достигших базы к общему числу активированных с глубоких центров носителей заряда.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ

1. Уточнено соотношение для расчета энергии ионизации ГУ по частоте точки "излома" на частотной зависимости СПМ НЧ шума, позволяющее повысить точность определения значения энергии ионизации ГУ на 20%.

2. Разработана методика определения частоты перегиба, основанная на выявлении максимального угла между аппроксимирующими зависимость прямыми и позволяющая автоматизировать процесс измерения энергии ионизации ГУ по частотной зависимости СПМ НЧ шума, что даёт возможность проводить измерение энергии ионизации ГУ в реальном времени в условиях производства.

3. Экспериментально показано, что для повышения чувствительности интегральных детекторов заряженных частиц и рентгеновского излучения на основе собственного арсенида галлия необходимо уменьшать концентрацию примесей в i - области барьерных структур. В частности, показано, что присутствие примеси хрома в структуре повышает мощность шума детектора и приводит к снижению его чувствительности.

4. Разработана портативная автоматизированная установка для измерения НЧ шума барьерных структур, основанная на получении спектра сигнала методом преобразования Фурье, позволяющая проводить анализ технологии изготовления приборов путём сравнения образцов по уровню шума, вычислять энергию ионизации ГУ по частотным зависимостям СПМ шума, измерять зависимости СПМ НЧ шума барьерных структур при изменении напряжения электрического смещения и температуры.

5. Разработано программное обеспечение для созданной автоматизированной экспериментальной установки, оригинальность которого подтверждена авторским свидетельством.

Материалы диссертации вошли в методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине "Методы исследования полупроводниковых структур" и используются при подготовке инженерных кадров по специальности "Микроэлектроника и твердотельная электроника"

ДОСТОВЕРНОСТЬ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ подтверждается непротиворечивостью полученных результатов основным положениям физики полупроводников; сопоставлением экспериментальных данных с предложенными автором моделями; совпадением значений исследованных параметров, полученных на одних и тех же образцах, разными методами.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты работы обсуждались на 30, 31, 33, 34, 35 международных научно-методических семинарах "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах"; Москва, МНТОРЭС им А.С.Попова; МЭИ, 2001-2006 гг., VII международной конференции "Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы" (Владимир, 2005 г.), 14-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции "Микроэлектроника и информатика - 2007", Москва, МИЭТ (ТУ), 2007, а также на ежегодных научно-технических конференциях Рязанского государственного радиотехнического университета.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и приложений. Объём диссертации - 133 страницы машинописного текста, включая 2 таблицы, 47 рисунков, 2 приложения, и список литературы из 93 наименований.

Основные результаты и выводы:

1. Впервые применены представления эффекта Френкеля, т.е. понижения энергии ионизации ГЦ под действием электрического поля напряжённостью более 104 В/см к физической модели генерации НЧ шума в барьерных структурах, содержащих ГЦ. Показано, что указанный эффект вызывает сдвиг по частоте точки "излома" на частотной зависимости спектральной плотности мощности НЧ шума, на основании чего обоснована необходимость коррекции значения энергии ионизации глубокого уровня, найденной по "излому" частотной зависимости СПМ НЧ шума с учётом величины напряжения обратного смещения, при котором проводилось измерение.

2. Проведено дальнейшее развитие физической модели генерации НЧ шума в полупроводниковых барьерных структурах, состоящее во введении экспоненциальной зависимости отношения количества достигших базы структуры к количеству активированных с ГУ носителей заряда от напряжённости электрического поля, что приводит к формированию прямолинейных участков на вольт-шумовых характеристиках ln(S) = f(U) на фиксированной частоте.

3. Установлена взаимосвязь формы вольт-шумовой характеристики (ВШХ) диодов Шоттки в виде двух функций вида S ~ е"и (где S - значение спектральной плотности мощности шума, U - напряжение обратного смещения; а - коэффициент), смещенных друг относительно друга по оси напряжений, с наличием электрически активных центров в барьерной структуре.

4. Разработана и создана автоматизированная установка, позволяющая измерять СПМ НЧ шума с чувствительностью: на частоте 1 Гц - 100 нВ/л^Гц, на частоте 100 Гц - 20 нВ/^Гц. В отличие от прототипов установка позволяет анализировать спектр НЧ-шума в диапазоне 0.1 - 1000 Гц одновременно. Оригинальность разработанного автором программного обеспечения подтверждена свидетельством о регистрации программного продукта № 5740 от 21.02.06.

5 Разработана и реализована методика автоматизированного поиска и выявления точки изменения наклона отрезков, аппроксимирующих спектры НЧ шума. Разработанный способ основан на поиске максимального значения угла между аппроксимирующими спектр отрезками и совмещает операции сглаживания и поиска точки перегиба в единой процедуре.

6. Проведены комплексные экспериментальные исследования и установлено, что уровень спектральной плотности мощности избыточного шума интегральных детекторов заряженных частиц и рентгеновского излучения на основе собственного арсенида галлия определяются глубоким уровнем хрома с AWt = 0,62±0,02 эВ, найденной методами РСГУ и спектроскопии НЧ шума.

1. Букингем М. Шумы в электронных приборах и схемах. /Пер. с англ. Мир, 1986.398 с.

2. Коган Ш.М. Низкочастотный шум со спектром типа 1/f в твёрдых телах //УФН. 1985. Т. 145. Вып. 2. С.285-328.

3. Астафьева Н.М. Вейвлет-анализ: основы теории и применения (Обзоры актуальных проблем) //УФН. 1996. Т. 166. № 11. С. 1145-1170.

4. Бочков Г.Н., Кузовлев Ю.Е. Новое в исследованиях 1/f шума //УФН 1988. Т. 141. Вып. 10. С. 151-176.

5. Bell D.A. A survey of 1/f noise in electrical conductors //J. Phys. C.: Solid State Phys. 1980. Vol. 13. P. 4425-4437.

6. Жигальский Г.П. Шумы вида 1/f и нелинейные эффекты в тонких металлических плёнках//УФН. 1997. Т. 167. № 6. С. 623-647.

7. Hooge F.N. 1/f noise is no surface effect //Phys. Lett. A. 1969. Vol. 29. P. 139140.

8. Van Vliet C.M. A survey of results and future prospects on quantum 1/f noise and 1/f noise in general //Solid-State Electron. 1991. Vol. 34. № 1. P. 1-21.

9. Tacano M. A new approach to the Hooge noise parameter for 1/f noise in semiconductors //Solid-State Electron. 1991. Vol. 34. № 8. P, 917-918.

10. Tacano M., Kanayama Т., Sugiyama Y. \lf noise in quarter-micron filaments of GaAs and InP made by focused ion-beam implantation //Solid-State Electron. 1991. Vol. 34. №2. P. 193-196.

11. Effects of Ar+ back-surface gettering on the properties of flicker noise in n-channel nitrided MOSFET's /C.Surya, W.Wang, W.Fong e.a. //Solid-State Electron. 1996. Vol. 39. № 11. P. 1577-1580.

12. Van der Ziel A. On the noise spectra of semiconductor noise and flicker effect //Physica. 1950. Vol. 16. № 4. P. 359-372.

13. Kaulakys В., Meskauskas T. Modeling 1/f noise. //Phys. rev. E. 1998; 58:7013-9.

14. Kaulakys B. Autoregressive model of 1/f noise. //Phys. Lett. A. 1999; 257:37-42.

15. McWhorter A.L. Semiconductor surface physics /Ed. R.H. Kingston. Philadelphia: University of Pennsylvania press, 1956. P.207.

16. Kleipenning T. Low-frequency noise in Schottky barrier diodes //Solid-State Electron. 1979. Vol. 22. №2. P.121-128.

17. Jevtic M.M. Impurity concentration dependence of 1/f noise parameter a in silicon //Solid-State Electron. 1988. Vol. 31. №6. P. 1049-1052.

18. Fundamental 1/f noise in silicon bipolar transistors /А.Н. Pawlikiewiez, A. Van der Ziel, G.S.Kousik e.a. //Solid-State Electron. 1988. Vol. 31. №1. P. 1-21.

19. Jevtic M.M. Impurity concentration dependence of 1/f noise parameter a in silicon //Solid-State Electron. 1988. Vol. 31. №6. P. 1049-1052.

20. Hendrics E.A., Zijlstra J.J. 1/f noise in (100) n-channel Si-MOSFETS from T=4,2 К to T=295 К//Solid-State Electron. 1988. Vol. 31. №6. P. 1105-1111.

21. Pellegrini B. On mobility-fluctuation origin of 1/f noise // Solid-State Electron. 1986. Vol. 29. №12. P. 1279-1287.

22. Лукьянчикова Н.Б. Флуктуационные явления в полупроводниках и полупроводниковых приборах. М.: Радио и связь, 1990.295 с.

23. Источники избыточного шума в транзисторных элементах микросхем /Н.Б. Лукьянчикова, Н.П. Гарбар, М.В. Партыка и др. //Радиотехника и электроника. 1988. Вып. 2. С. 400-408.

24. Hsu S.T. Low-frequency excess noise in metal-silicon Schottky barrier diodes //IEEE Trans. Electron. Devices. 1970. Vol. ED-17. № 7. P. 496-506.

25. Tacano M., Sugiyama Y. Comparison of l^noise of AlGaAs/GaAs HEMT's and GaAs MESFET's //Solid-State Electron. 1991. Vol. 10. № 34. P. 1049-1053.

26. Низкочастотные шумы арсенидогаллиевых диодов с барьером Шоттки с неоднородным контактом металл-полупроводник /О.Ю. Малаховский, В.Г.Божков, А.Г.Бычков и др. //Радиотехника и электроника. 1992. Вып. 1. С. 142-149.

27. Низкочастотные шумы диодных структур на арсениде галлия /М.Д. Воробьёв, В.Г. Божков, О.Ю. Малаховский и др. //Электронная техника. Сер. 2. Полупроводниковые приборы. 1987. Вып.1 (186). С. 88-91.

28. Surya С., Hsiang T.Y. A thermal activation model for 1/f noise in Si-MOSFET // Solid-State Electron. 1988. Vol. 31. № 5. p. 959-964.

29. Hallgren R.B. Low-bias-noise spectroscopy of field-effect transistor channels: depletion-region trap models and spectra //Solid-State Electron. 1990. Vol. 8. №12. P. 1071-1080.

30. Scholz F., Hwang J.M., Schroder D.K. Low frequency noise and DLTS as semiconductor device characterization tools //Solid-State Electron. 1988.'Vol. 31. №2. P. 205-218.

31. Yau L.D., Sah C.T. Theory and experiments of low-frequency generation-recombination noise in MOS-ttransistors //IEEE Trans. Electron. Devices. 1969. Vol.ED-16.№2.P. 170-177.

32. Sah C.T., Hielscher F.H. Evidence of the origin of the Mf noise //Phys. Rev. Letters. 1966. Vol. 17.1 10. P. 956-957.

33. Орешкин П.Т. Механизм перезарядки глубоких центров при релаксационной спектроскопии //Электронная техника. Сер. 3. Микроэлектроника. 1990. Вып. 5 (139). С. 3-8.

34. Орешкин П.Т. Барьерные слои как резонаторы на глубоких центрах //Известия вузов СССР. Физика. 1990. № 11. С. 21-25.

35. Холомина Т.А. Диссертация на соискание учёной степени д. ф.-м. н. по специальности 01.04.10 Физика полупроводников.

36. Bosman G., Zijlstra R.J.J. Generation-recombination noise in p-type silicon //Solid-State Electron. 1982. Vol. 25. № 4. P. 273-280.

37. Исследование шумов р+ия+-структур из полупроводника, компенсированного двухзарядными акцепторами /В.М.Арутюнян, З.Н.Адамян, Ф.В.Гаспарян и др. //Изв. вузов СССР. Радиофизика. 1991. Т. 34. № 10-12. С. 1226-1235.

38. Haslett J.W., Kendall E.J.M. Temperature dependence of low-frequency excess noise injunction-gate FET's //IEEE Trans. Electron. Devices. 1972. Vol. ED-19. № 8. P. 943-950.

39. Маранц В.Г., Хатунцев А.И. Параметры шумовых центров, влияющих на низкочастотный шум полевых транзисторов с ^-«-переходом //Элек-тронная техника. Сер. 2. Полупроводниковые приборы. 1975. Вып. 8 (100). С. 88-105.

40. Noise and deep level transient spectroscopy of deep level (DX) centers in GaAs-GaAlAs heterostructures /L.Kratena, K.Zdansky, J.Sikula e. a. //Noise Phys. Syst. Includ l/f Noise, Biol. Syst. and Membranes: 10th Int. Conf. Budapest. 1990. P. 209-212.

41. Булярский C.B., Грушко H.C. Генерационно-рекомбинационные процессы в активных элементах. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1995.399 с.

42. Dabrowsky W., Korbel К. Excess generation-recombination noise in reverse biased Schottky-barrier diodes //Solid-State Electron. 1988. Vol. 31. № 12. P. 16571661.

43. Орешкин П.Т., Холомина T.A., Кордюков С.И. Волны объемного заряда и низкочастотный шум в барьерных слоях //Физика полупроводников и микроэлектроника: Межвуз. сб. науч. тр. Рязань: РГРТА, 1995. С. 13-24.

44. Кукоев И.Ю. Вейвлет анализ шумовых процессов в полупроводниковых структурах. Автореф. дисс. на соискание учёной степени канд. техн. наук. -М. 2005.20 с.

45. Мирошникова И.Н. Глубокоохлаждаемые фотоприёмники на основе антимонида индия. Автореф. дисс. на соискание уч. степени докт. техн. наук. -М. 2005. 39 с.

46. Орешкин П.Т. Темновая релаксация заряда в ОПЗ барьерных слоёв. Изв. вузов СССР. Физика 1981. Т. 24. №9. С. 136-137.

47. Зубков М.В. Спектр глубоких уровней в барьерных структурах на кремнии //пути повышения стабильности и надёжности микроэлементов и микросхем: Материалы IV Всес. Научно-технического семинара. Рязань, 1988. С. 47-56.

48. Гармаш Ю. В. Релаксационная спектроскопия глубоких центров в полупроводниках: Дис. на соискание канд. техн. наук: 01.04.10- Рязань 1984. 164 с.

49. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: В 2-х кн. Кн. 1. Пер. с англ. М.:Мир, 1984.456 с.

50. Орешкин П.Т. Физика полупроводников и диэлектриков. М.: Высшая школа, 1977.448 с.

51. Мхитарян З.О., Баргесян Р.С., Арутюнян В.М. Шумовые характеристики кремниевых диодов с примесью серы //Изв. вузов СССР. Радиофизика. 1984. Т. 27. №9. С.1218-1220.

52. Morrison S.R. 1 If noise from levels in a linear or planar array. IV The origin of the Hooge parameter //J. Appl. Phys. 1992. Vol. 72. № 9. P. 4113-4117.

53. Levinshtein M.E., Rumyantsev S.L. Noise spectroscopy of local levels in semiconductors //Semicond. Sci. and Technol. 1994. Vol. 9. № 6. P. 1183-1189.

54. Пряников B.C. Прогнозирование отказов полупроводниковых приборов. М.: Энергия, 1978. 112 с.

55. Кордюков С.И. Низкочастотные шумы в диодах Шоттки: Дис. на соискание канд. техн. наук: 01.04.10- Рязань 1987. 156 с.

56. Hooge F.N., Hoppenbrouwers А.М.Н. Amplitude distribution of 1/f noise. Physica, 42. P. 331-339.

57. Куликов Е.И. Методы измерения случайных процессов. М.:Радио и связь. 1986. 272 с.

58. Соколик С.А., Гуляев A.M., Мирошникова И.Н. Совершенствование установки для исследования низкочастотного шума полупроводниковых приборов и структур //Измерительная техника. 1997. № 1. С. 57-61.

59. Гарбар Н.П., Лукьянчикова Н.Б., Абру У.Р. и др. Установка для измерения шумовых характеристик микросхем и дискретных транзисторов на пластинах. //Электронная промышленность. 1991. № 6. С. 27-29.

60. Кострюков С.А. Малошумящий усилитель для исследования НЧ шума. // Физика полупроводников. Микроэлектроника. Радиоэлектронные устройства. Межвузовский сборник научных трудов. Рязань: РГРТА, 2001. С.45- 47.

61. Кострюков С.А. Автоматизированная установка для измерения СПМ низкочастотных шумов. //Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах: Материалы междунар. науч.-методич. семинара. -М.:МНТРОЭС им. А.С. Попова, МЭИ, 2003. С. 23-25.

62. Кострюков С.А. Повышение помехоустойчивости установки для измерения параметров НЧ-шума. //Физика полупроводников. Микроэлектроника. Радиоэлектронные устройства. Межвузовский сборник научных трудов. Рязань: РГРТА, 2003. С.27- 29.

63. Пиз А.Р. Практическая электроника аналоговых устройств. Поиск неисправностей и отработка проектируемых схем: Пер. с англ. М.:ДМК Пресс, 2001. 320 с.

64. Тице У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. М.: Мир. 1982. 512 с.

65. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Пер. с англ. Изд. 5-е. М.:Мир 1998. 704 с.

66. Кострюков С.А. Установка шумовой спектроскопии глубоких уровней. //Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы: Труды VII международной коференции . Ульяновск: УлГУ, 2005. С. 68-69.

67. Кострюков С.А., Холомина Т.А. Программное обеспечение НЧ шумовой спектроскопии глубоких уровней. //Известия вузов. Электроника. 2006. №4 С. 36-43.

68. Марпл C.JI. Цифровой спектральный анализ и его приложения /Под. ред. И.С. Рыжакова. М.:Мир 1990.110 с.

69. Кирьянов Д.В. Самоучитель Mathcad 11. СПб.:БХВ-Петербург, 2004. 560 с.

70. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки "Вычисление спектральной плотности мощности низкочастотных шумов" № 5740 от 21.02.2006.

71. Херрис Ф. Дж. Использование окон при гармоническом анализе методом дискретного преобразования Фурье //ТИИЭР. 1987. Т.66. №1. С.60-96.

72. Кострюков С. А., Холомина Т. А. Особенности анализа сигналов низкочастотного шума методом дискретного преобразования Фурье. //Измерительная техника. 2005. № 12. С. 47-50.

73. Булычёв A.JL, Галкин В.А. Аналоговые интегральные схемы: Справочник. Мн.: Беларусь. 1994. 382 с.

74. Брандт 3. Анализ данных. Статистические и вычислительные методы для научных работников и инженеров: Пер. с англ. М.:Мир. ООО "Издательство ACT", 2003. 686 с.

75. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука: Гл. ред. физ.-мат. лит., 1974. 831 с.

76. Кострюков С.А. Выделение частоты перегиба кривой спектральной плотности мощности НЧ-шума. // Физика полупроводников. Микроэлектроника. Радиоэлектронные устройства. Межвузовский сборник научных трудов. Рязань: РГРТА, 2005. С.31- 34.

77. Шур М. Современные приборы на основе арсенида галлия /Пер. с. англ. Под ред. М.Е. Левинштейна. М.: Мир. 1991. 632 с.

78. Маковийчук М.И., Рекшинский В.А. Фликкер-флуктуационный анализ структур микроэлектроники //Заводская лаборатория (диагностика материалов). 1996. № 8. С. 35-37.

79. Милне А. Примеси с глубокими уровнями в полупроводниках /Пер. с англ. М.: Мир, 1977. 562 с.

80. Литвинов В.Г., Лабутин А.В., Гудзев В.В., и др. Автоматизированный измерительно-аналитический комплекс токовой релаксационной спектроскопии глубоких уровней. Рязань: Рязанский ЦНТИ, информационный листок о НТР №61-081-02. 2002.4 с.

81. Особенности емкостной спектроскопии глубоких центров в диодах Шоттки /В.Ф.Андриевский, В.А.Иванюкович, В.И.Карась, В.М.Ломако //ФТП. 1991. Т. 25. Вып. 2. С. 222-226.

82. Берман Л.С., Лебедев А.А. Емкостная спектроскопия глубоких центров в полупроводниках. Л.: Наука, 1981. 176 с.