Влияние глубоких центров на задержку лавинного пробоя p-n - перехода тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

МОРДОВСКИЙ государственный университет

им н, п. огарева

На правах рукописи

Ионычев Валерий Константинович

ВЛИЯНИЕ ГЛУБОКИХ ЦЕНТРОВ НА ЗАДЕРЖКУ ЛАВИННОГО ПРОБОЯ Р-Н-ПЕРЕХОДА

Специальность 01.04.10 - Физика полупроводников и диэлектриков

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель

доктор физико-математических наук,

профессор, академик РАЕН Булярский С. В.

Консультант

кандидат физико-математических наук, доцент Сережкин Ю. Н.

Саранск -1999

Оглавление стр.

ВВЕДЕНИЕ............................................................................. 5

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО УДАРНОЙ ИОНИЗАЦИИ И ЗАДЕРЖКЕ

ЛАВИННОГО ПРОБОЯ В Р-Н-ПЕРЕХОДЕ........................................11

1.1 Ударная ионизация в полупроводниках......................................... 11

1.2. Условие лавинного пробоя р-п-перехода....................................... 18

1.3. Микроплазменные явления в р-п-переходах................................. 22

1.4. Задержка лавинного пробоя р-п-перехода.................................... 28

1.4.1 Статистическая задержка........................................................ 28

1.4.2. Релаксационная задержка....................................................... 32

1.5. Заключение по обзору литературы и постановка задачи исследования 34

2. МЕТОДИКА, ЭКСПЕРИМЕНТА. И АНАЛИЗ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРЕНИЙ ... .': 36 2.1 Структура исследуемых образцов................................................ 36

2.П..Образцы для исследования статистической задержки

микроплазменного пробоя............................................................... 36

2.1.2. Образцы для исследования релаксационной задержки пробоя....... 40

2.2. Экспериментальная установка для исследования лавинного пробоя р-п-перехода................................................................................ 43

2.3. Алгоритм измерений задержки пробоя микроплазмы....................... 45

2.3.1. Методика измерения релаксационной задержки пробоя................. 47

2.3.2. Методика измерения статистической задержки пробоя................... 52

2.4. Анализ погрешностей.............................................................. 56

3. СТАТИСТИЧЕСКАЯ ЗАДЕРЖКА ПРОБОЯ МИКРОПЛАЗМЫ......... 63

3.1. Вероятность включения микроплазмы при отсутствии глубоких центров..................................................................................... 63

3.2. Вероятность включения микроплазмы при наличии глубоких центров в ОПЗ р-п-перехода........................................................................ 68

3.2.1..Функция распределения статистической задержки пробоя микроплазмы по длительности.......................................................................... 68

3.2.2. Анализ Функции распределения задержки пробоя микроплазмы...... 71

3.2.3. Моделирование вероятности включения МП при эмиссии носителей

с многозарядной ловушки.............................................................. 78

3.3.Электрические свойства GaP:ZnO-CBeTOдиодов............................... 84

3.3.1. Ёмкостные характеристики GaP:ZnO-CBeTOдиодов........................84

XX ' ' ' '

3.3.2. Вольт-амперные характеристики GaP:ZnO-CBeToдиодов................ 87

3.3.3. Вольт-амперные характеристики микроплазмы во включённом

состоянии.................................................................................. 93

3.4.Электрические свойства исследуемых кремниевых лавинных диодов .. 97 3.5.Экспериментальные результаты исследований статистической

задержки пробоя микроплазмы........................................................ 99

3.6.Обсуждение результатов......................................................... 114

3.7. Заключение...........................................................................120

4. РЕЛАКСАЦИОННАЯ ЗАДЕРЖКА ПРОБОЯ МИКРОПЛАЗМЫ........ 124

4.1 .Теория релаксационной задержки пробоя р-п-перехода.................. 124

4.2.Релаксационная задержка пробоя р-п-перехода с ограничением ОПЗ сильнолегированным слоем.......................................................... 133

4.3.Результаты измерений релаксационной задержки пробоя р-п-перехода

и их обсуждение........................................................................ 137

4.4.Рекомбинационная спектроскопия глубоких уровней..................... 148

4.5.Ёмкостная спектроскопия глубоких центров в кремниевых диодах, легированных золотом................................................................. 155

4.5.1. Свойства барьерной ёмкости р-п-перехода при наличии глубоких уровней......................................................................................................................................................................155

4.5.2. Теория используемых методов ёмкостной релаксационной спектроскопии глубоких уровней......................................................................................................160

4.5.3. Экспериментальные результаты..........................................................................................167

4.6. Заключение...............................................................................................173

ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ

Известно, что лавинный пробой реальных р-п-переходов сильно локализован и носит микроплазменный характер. Микроплазмы (МП), как правило, расположены в местах скопления различного рода структурных дефектов и примесей. Микроплазменные каналы имеют диаметры порядка ширины области объёмного заряда р-п-перехода при напряжении пробоя. Малые размеры микроплазменных каналов приводят к статистической задержке лавинного пробоя, на которую большое влияние оказывают глубокие центры (ГЦ), находящиеся в этих каналах. В отличие от известных традиционных методов (емкостная спектроскопия, эффект Холла, фотопроводимость и т.д.), задержка лавинного пробоя даёт возможность изучения характеристик локальных мест скопления дефектов, что очень важно для прогнозирования свойств и надёжности полупроводниковых приборов. Практическое использование этого эффекта возможно только на основе достаточно точной количественной теории. В связи с этим актуальна разработка теоретических моделей и методик, позволяющих анализировать экспериментальные данные и моделировать реальные экспериментальные ситуации. В научной литературе имеется всего несколько работ, в которых сделана попытка определения параметров глубоких центров по статистической задержке микроплазменного пробоя. Однако, они оказались не совсем удачными. До настоящего времени имелись неясности в понимании процессов, связанных с влиянием глубоких центров на запуск лавины при пробое микроплазмы. На стадии развития находятся также и методы релаксационной микроплазменной спектроскопии глубоких уровней. Поэтому избранная тема исследований является актуальной как в научном, так и в практическом плане.

Цель работы:

Исследование влияния глубоких центров на запуск лавины при пробое р-п-перехода и изучение роли глубоких центров, находящихся в микроплазменных каналах, на задержку лавинного пробоя.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Анализировались современные физические представления об ударной ионизации, лавинном пробое и механизме включения микроплазм в р-п-переходе, на этой основе теоретически и экспериментально изучались механизмы развития микроплазменного пробоя.

2. Определялось влияние глубоких центров на задержку пробоя микроплазмы и устанавливалась связь параметров ГЦ с параметрами процессов, сопровождающих явления статистической и релаксационной задержки пробоя р-п-перехода.

3. Результаты исследований задержки микроплазменного пробоя в фосфид-галлиевых и кремниевых диодах сопоставлялись с результатами рекомбинаци-онной спектроскопии и релаксации емкости и разрабатывались новые методы определения параметров ГЦ.

Для решения поставленных задач было выполнено следующее:

В первой главе диссертации на основе литературных данных рассмотрены современные физические представления об ударной ионизации в полупроводниках и лавинном пробое р-п-переходов, микроплазменные явления и теория нестабильности МП, проанализированы причины, приводящие к задержке включения МП, и влияние на неё ГЦ.

Вторая глава посвящена описанию методики измерения статистической и релаксационной задержки пробоя МП и анализу погрешностей, возникающих при определении параметров ГЦ этими методами. Приведено описание измерительной установки и экспериментальных образцов.

В третьей главе рассматривается теория статистической задержки пробоя МП в отсутствие и при наличии ГЦ в канале микроплазмы. Получены основные расчётные соотношения для функции распределения статистической задержки пробоя МП по длительности. Проведён их анализ. Предложена методика определения параметров ГЦ из измерений вероятности включения МП. Показано, что при изменении зарядового состояния ГЦ частичным снижением напряжения на р-п-переходе, статистическая задержка микроплазменного пробоя позво-

ляет определить энергетический спектр глубоких центров, локализованных в микроплазменных каналах. Проведено исследование механизма включения МП в сЬосфидгаллиевых и кремниевых р-п-переходах. Обнаружена аномально высокая чувствительность задержки пробоя к заполнению ГЦ в ОаР: 7пО-свето диодах.

В четвёртой главе рассмотрена релаксационная задержка лавинного пробоя р-п-перехода. Дальнейшее развитие получил метод определения параметров ГЦ непосредственно по релаксационной задержке пробоя МП при высокой концентрации ГЦ с учётом краевого слоя и применительно к р+-п-п+-переходу с ограничением расширения области пространственного заряда (ОПЗ) при пробое. Возможности метода иллюстрированы на примере определения параметров акцепторного уровня золота в р+-п-п+-структурах, Сделан сравнительный анализ результатов измерений по релаксационной задержке пробоя МП, рекомбинаци-онной и ёмкостной спектроскопии ГЦ.

В результате проведённых исследований на защиту выносятся следующие положения:

1. Измерение вероятности включения МП без заполнения ГЦ позволяет изучать механизм Фоновой генерации носителей заряда в микроплазменных каналах.

2. На задержку лавинного пробоя кремниевых и сЬоссЬ ид галл и е вы х р-п-переходов сильное влияние оказывают ГЦ. Изменение зарядового состояния ГЦ в микроплазменных каналах может приводить как к увеличению, так и к уменьшению вероятности включения МП.

3. Функция распределения длительности статистической задержки пробоя МП, при заполнении ГЦ основными носителями заряда кратковременным уменьшением напряжения на р-п-переходе, позволяет определять параметры ГЦ.

4. Разработанные математические модели, описывающие релаксационную задержку пробоя р-п-перехода, позволяют исследовать влияние ГЦ на характеристики микроплазм и определять параметры ГЦ.

Научная новизна выполненной работы заключается в следующем:

1. Выявлен и обоснован механизм поступления носителей заряда в канал МП ОаР:2пО светодиодов при сЬоновом запуске лавины. Данный метод можно распространить на р-п-переходы из других материалов.

2. Выявлена необычно высокая чувствительность статистической задержки лавинного пробоя к заполнению ГЦ в области пространственного заряда (ОПЗ^

Г < А 3. " Г' —** Ч " '

фосфидгаллиевых светодиодов красного спектра излучения. Даже незначительное заполнение ГЦ у краёв ОПЗ приводит к сильному возрастанию вероятности включения микроплазмы, что позволяет использовать это явление для спектроскопии глубоких уровней.

3. Получено аналитическое выражение для Функции распределения статистической задержки пробоя МП по длительности при заполнении ГЦ основными носителями заряда в ОПЗ р-п-перехода. Проведён анализ данной Функции в случае эмиссии носителей через генерационно-рекомбинационный центр, многозарядный центр, с ловушки захвата.

4. Предложен метод определения параметров ГЦ непосредственно из измерений Функции распределения длительности статистической задержки пробоя микроплазмы, пригодный при очень низкой концентрации ГЦ, когда другие методы не применимы.

5. Получено аналитическое выражение, связывающее время релаксационной задержки пробоя с перенапряжением на диоде при ограничении и без ограничения ОПЗ сильнолегированным слоем. Разработана методика и показана возможность определения параметров ГЦ непосредственно по релаксационной задержке лавинного пробоя перехода в случае высокой концентрации ГЦ.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Разработан новый высокочувствительный метод определения параметров глубоких уровней (ГУ) в микроплазменных каналах р-п-переходов по статистической задержке лавинного пробоя; его реализация не требует сложного и дорогостоящего оборудования.

2. Уточнены параметры глубоких уровней в ОаР^пО свето диодах, играющие определяющую роль в Формировании микроплазменного пробоя р-и-перехода.

3. Получены аналитические выражения, которые полностью решают задачу о релаксационной задержке пробоя р-п-перехода.

4. Разработана методика определения параметров ГЦ непосредственно по релаксационной задержке лавинного пробоя р-п-перехода. Данный метод не накладывает ограничений на соотношение концентраций ГЦ и легирующих примесей и может быть использован, когда вольт-Фарадная характеристика образца плохо контролируется, либо эквивалентная схема р-п-перехода является сложной.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на:

1. Всероссийской научно-технической конференции «Перспективные материалы и технологии для средств отображения информации» (г. Кисловодск, 1996).

2. 4-ом Всероссийском с международным участием совещании по материалам для источников света, электронных приборов и светотехнических изделий (г. Саранск, 1996).

3. Международной конференции «Центры с глубокими уровнями в полупроводниках и полупроводниковых структурах (г. Ульяновск, 1997).

4. Международной конференции "Проблемы и прикладные вопросы Физики" (г. Саранск, 1999).

5. Ежегодных Огарёвских чтениях Мордовского государственного университета им. П. П. Огарёва (1994 - 1998).

Основное содержание диссертации изложено в десяти публикациях, список которых приведен в конце работы.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. Материал изложен на 191 странице, содержит 61 рисунок, 3 таблицы, 142 наименования использованной литературы.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО УДАРНОЙ ИОНИЗАЦИИ И ЗАДЕРЖКЕ ЛАВИННОГО ПРОБОЯ В Р-Ы-ПЕРЕХОДЕ

1.1. Ударная ионизация в полупроводниках

Ударная ионизация полупроводника заключается в образовании свободными носителями заряда электронно-дырочной пары при соударении с кристаллической решеткой.

Основным параметром, характеризующим интенсивность ударной ионизации, является коэффициент ионизации носителей заряда а. Он численно равен числу электронно-дырочных пар, образуемых носителем заряда на единице пути в направлении электрического поля. Знание зависимости а от напряженности электрического поля необходимо при анализе явлений, связанных с ударной ионизацией. Получение этой зависимости является главной задачей теоретических и экспериментальных исследований.

Теоретический анализ явления ударной ионизации очень сложен, так как требует знания закономерностей взаимодействия горячих носителей заряда с решеткой кристалла. До сих пор законченной теории ударной ионизации нет. В настоящее время невозможно рассчитать коэффициенты ионизации в конкретных полупроводниках, так как теория содержит экспериментально определяемые и подгоночные параметры [3].

В сильных электрических полях основную роль играют пять механизмов рассеяния носителей [4, 5]: на акустических фононах, на оптических фононах, электрон-электронное, междолинное (внутризонное) и ударная ионизация. Обычно теория ударной ионизации строится для двух случаев: а) для низкой концентрации носителей заряда, когда электрон-электронное рассеяние несущественно; б) для высокой концентрации носителей, когда электрон-электронное рассеяние контролирует распределение носителей заряда по энергиям, т.е. определяет вид функции распределения [4].

Первый случай чаще всего реализуется в обратносмещенных р-п-переходах, хотя в условиях развитого пробоя и в них электрон-электронное рассеяние может быть существенным.

Второй случай, в основном, имеет место при ударной ионизации в однородных полупроводниках.

Так как большинство исследований ударной ионизации проведено на р-п-переходах, наиболее полно теоретически исследовался первый случай. При этом в простой теории предполагается, что в пробивных полях имеет место лишь рассеяние на оптических фононах и ударная ионизация. Рассеянием на акустических фононах пренебрегают, так как относительное изменение энергии носителя при одном столкновении составляет всего лишь несколько процентов [6].

Результаты расчетов выражаются через три характерных параметра полупроводника: пороговую энергию ионизации Еи энергию оптического фонона Ец и среднюю длину свободного пробега носителей при рассеянии на оптических фононах Хц. Из этих трех параметров в различных материалах надежно определен лишь Ея, а два других (особенно Як) являются подгоночными [3].

Для образования электронно-дырочной пары носители должны увеличить свою кинетическую энергию, во всяком случае, до ширины запрещенной зоны Её. В том случае, когда в полупроводнике минимум зоны проводимости и максимум валентной зоны находятся в центре зоны Бриллюэна, а носители имеют изотропные эффективные массы тп и тр одновременное выполнение в процессе ионизац�