Влияние процессов дефектообразования в кислородосодержащем германии на электрические свойства лавинных фотодиодов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

с:

На правах рукописи

{

Громова Наталья Юрьевна

ВЛИЯНИЕ ПРОЦЕССОВ ДЕФЕКТООБРАЗОВАНКЯ В КИСЛОРОДОСОДЕРЖАЩЕМ ГЕРМАНИИ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЛАВИННЫХ ФОТОДИОДОВ

Специальность: 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Ульяновск -1997

Работа выполнена в Ульяновском Государственном Университете

Научный руководитель - доктор физико-математических

наук, действ член РАЕН, профессор С.В.Булярский

Официальные оппонепты - доктор физико-математических

наук, профессор Гущртьшоь Б.Н.

т;: Г1 Луп О!! А I '1': ."''Л !.' у

наук, действ член РАЕН, профессор Н.Т. Гуркн

приборостроения.

Защита состоится " 24 " октября 1997 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета К 053.37.02 Ульяновского государственного университета по адресу: 432700, г.Ульяновск, ул. Льва Толстого, д.42 (ауд. 42)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета Автореферат разослан

Отзывы на автореферат просим присылать по адресу: 432700, г.Ульяновск, ул: Л. Толстого, 42, научная часть

Ученый секретарь диссертационного Совета

С.С. Моливер

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Процессы дефектообразования в полупроводниковых кристаллах оказывают большое влияние на качество полупроводниковых приборов. Хотя спектр точечных дефектов в германии менее сложный по сравнению с другими полупроводниками, но электрически активные дефекты в нем связаны не только с введением примесей, но и с собственными структурными дефектами, такими как вакансии и дислокации. К собственным дефектам .следует добавить комплексы, которые они образуют с атомами легирующих примесей. Природа дефектов, играющих решающую роль в полупроводниковых приборах на основе германия исследована еще недостаточно.

В промышленности для создания р-п-переходов широко распространен метод высокотемпературной диффузии. Этот процесс сопровождается интенсивным дефектообразованием. При этом создается большое количество дефектов, влияющих на работу полупроводниковых приборов. При повышении температуры кристалла появляются дополнительные вакансии. Они могут создавать комплексы с другими типами собственных дефектов и легирующими примесями. При этом в запрещенной зоне возникают глубокие уровни, которые оказывают существенное влияние на свойства материала и приборных структур. Поэтому необходимо не только констатировать факт присутствия глубоких уровней в полупроводниках и уметь с достаточной точностью определять их параметры (энергию активации, концентрацию), но и знать механизм образования данных дефектов. В последнее время в кремнии интенсивно изучается поведение кислорода, а также связанные с ним дефекты (термодоноры). В связи с этим исследуются процессы преципитации и комплексообразования. В германии поведение кислорода исследовано меньше.

Довольно часто ограничиваются моделями, основанными на рекомбинационно-генерационных процессах, но для комплексного понимания работоспособности приборов этого недостаточно. Необходимо исследование процессов возникновения линейных дефектов, к которым относятся дислокации. В связи с изложенным,

комплексное исследование процессов образования как точечных, так и линейны; дефектов в германии, содержащем достаточно большое количество кислорода, и ю влияния на электрические свойства приборов, является актуальной задачей и имееч научное и практическое значение.

Цель и задачи исследований. Целью работы является исследование процессо! дефектообразования, приводящих к изменению электрических параметров лавинных фотодиодов на основе кислородосодержащего германия. Для достижения данной цели решались следующие задачи:

1. Выяснение основных механизмов токопрохождения в лавинных фотоприемниках.

2. Определение параметров дефектов и их влияния на электрические свойства лавинных фотодиодов.

3. Исследование влияния низко- и высокотемпературного отжигов на процессы дефектообразования в чистом германии.

Новые научные результаты:

1. Основной причиной, влияющей на ухудшение вольтамперных характеристик (ВАХ) в области пробоя лавинных фотодиодов (ЛФД) на основе кислородосодержащего германия, являются процессы преципитации кислорода, приводящие к возникновению дислокаций.

2. Активная преципитация кислорода в германии наблюдается при высоких температурах отжига, начиная с температур ~800К, и данный процесс ограничивается диффузией свободного кислорода.

3. В процессе низкотемпературного отжига происходит генерация дефектов, которые, по-видимому, связаны с образованием вакансионно-кислородных комплексов.

4. Использована новая методика для нахождения параметров глубоких центров, основанная на разделении рекомбинационного тока на составляющие, с помощью введения новой величины - приведенной скорости рекомбинации.

Таким образом, во всех процессах, приводящих к деградации параметров лавинных фотоприемников при термообработке, активную роль играет кислород.

Научная и практическая ценность:

1. Экспериментально определен температурный диапазон начала активной преципитации в кислородосодержащем германии, приводящий к процессам образования дислокаций, который хорошо согласуется с теоретическими оценками по модели, связанной с диффузией кислорода. Установлены энергии активации процесса преципитации, которые соответствуют энергии активации диффузии кислорода.

2. Определены температурные интервалы "прямых" вольтамперных характеристик ЛФД, в которых ведущую роль в процессе рекомбинации играют те или иные зарядовые состояния многозарядных дефектов в германии. Построена диаграмма, которая наглядно показывает данные температурные интервалы.

3. Определены параметры ряда рекомбинационных центров. Подтверждено проникновение атомов меди в германий в процессе отжига диодов, а также образование вакансионно-кислородных комплексов. Определены температурные интервалы, при которых влияние данных комплексов на электрические свойства диодов становится заметным.

4. На основании полученных результатов сформулированы рекомендации по совершенствованию процессов изготовления р-п-переходов в лавинных фотодиодах. Для уменьшения числа дислокаций, возникающих при отжиге, нужно либо понизить температуру диффузии, так как она близка к температуре активной преципитации, либо уменьшить время самой диффузии.

5. Разработана методика расчета электрического поля в области пространственного заряда на основе экспериментальной вольтфарадной характеристики.

Положения, выносимые на защиту.

1. Процессы преципитации приводят к появлению дислокаций в германии и росту избыточных токов, механизм которых связан с прыжковой проводимостью.

2. Процессы преципитации ограничиваются диффузией свободного кислорода.

3. При низкотемпературном отжиге (623-773 К) генерируются вакансии германия и происходит образование кислородосодержащих вакансионных комплексов.

4. Вакансионно-кислородные комплексы в германии являются многозарядными дефектами, имеющими энергию активации 0,15 ; 0,20 эВ.

Апробация работы: Работа выполнена в рамках госбюджетных работ, выполняемых в рамках направления 2 государственной программы "Университеты России". Работа доложена на следующих конференциях: Всероссийская научно-техническая конференция "Перспективные материалы и технологии для средств отображения информации. Кисловодск, 1995; Всероссийская научно-техническая конференция "Перспективные материалы и технологии для средств отображения информации. Кисловодск, 1996; Первая Всероссийская конференция по материаловедению и физикохимическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния. Москва. 1996, а также на конференциях аспирантов и преподавателей Ульяновского государственного университета.

Личное участие автора: Основные теоретические положения разработаны совместно с проф. Булярским C.B. Проведение расчетов и экспериментов, анализ результатов и выводы из них сделаны автором самостоятельно.

Публикации: Основные результаты диссертации представлены в 7 печатных работах.

Структура и объем работы: Работа изложена на 120 страницах машинописного текста, содержит 47 рисунков, 10 таблиц, библиографии 110 научных работ.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определена тема работы, дается краткая характеристика состояния исследований до начала работы, указывается на актуальность исследования собственных дефектов в германии, образующихся при отжиге, а также важность исследования данных дефектов и их влияния на электрические характеристики полупроводниковых приборов. Формулируются цели и задачи исследований.

Первая глава носит обзорный характер. На основании анализа литературных данных по дефектам и термодонорам в германии делается заключение о состоянии проблемы.

Показаны дальнейшие перспективы исследования собственных дефектов в германии, а также воздействия дефектов решетки на работу полупроводниковых приборов. Особое внимание уделено процессам возникновения дислокаций и вакансионно-кислородным комплексам, влияющим на электрические характеристики полупроводниковых структур. Эти процессы взаимосвязаны, так как вакансионно-кислородные комплексы группируются вокруг дислокаций. Отмечено, что хотя природа глубоких уровней в германии изучена достаточно хорошо, механизмы их образования, роль собственных дефектов и дефектов, возникающих при термообработке, а также их влияние на электрические характеристики приборов по-прежнему остаются актуальной задачей для исследований.

Во второй главе приводятся результаты исследований по нахождению параметров глубоких центров, проведенных на промышленных лавинных фотодиодах (ЛФД-2) на основе германия. Здесь же обсуждаются особенности прямых вольтамперных характеристик, связанных с различными механизмами протекания заряда.

а)

1А

1.0СЕ-2 -

и

«ИЕ-1 -з

б)

/ /

/во

/

// /

у у у

/

//

у У

/

йХ

~1— 020

ада

Г~ а«

и,в

Рис.1. "Прямые" температурные ВАХ лавинных фотодиодов различных партий: а) партия А; б) партия В.

Все исследуемые образцы были разделены на две партии А и В, отличающиеся по концентрации примесей. "Прямые" ВАХ образцов партий А и В существенно отличались. На рис.1 изображены семейства ВАХ различных партий образцов при различных температурах. На рис.1,а отчетливо видно, что ВАХ определяется одним механизмом. Фактор неидеальности данных кривых п= 1,3-5-1,7. Поэтому можно утверждать, что ВАХ образцов этой партии определяют процессы рекомбинации

Для нахождения параметров глубоких уровней в лавинных фотодиодах были использованы две методики: а) новая методика, основанная на разделении рекомбинационного тока на составляющие с помощью введения новой величины -приведенной скорости рекомбинации; б) метод термостимулированной емкости (ТСЕ). Значения энергий активации глубоких уровней (эВ), полученных по данным методикам, коррелировали между собой (табл.1).

Табл.1

№ уровня анализ "прямой" ВАХ метод ТСЕ

1 0,32+0,05 0,33±0,05

2 0,25±0,05 0,23±0,03

3 0,22+0,03 0,20+0,03

4 0,12±0,03 0,12±0,03

Значения энергии активации равные 0,15; 0,20 эВ принадлежат вакансионно-кислородным комплексам, а 0,10 эВ - дислокационному, образующимся в процессе изготовления р-п-переходов при высокотемпературной диффузии. Следовательно, можно предположить, что данные комплексы играют ведущую роль в процессах рекомбинации в ЛФД.

По результатам рекомбинационного анализа найдена температурная зависимость подключения различных уровней в процесс рекомбинации. Сильная температурная зависимость отношений коэффициентов захвата электронов и дырок позволяла предположить, что на процессы генерации оказывает влияние электрон-фононное взаимодействие. Также отличие коэффициентов захвата ¿видетельствует о

многозарядности уровней, участвующих в рекомбинации, что и было подтверждено наличием участков уменьшения приведенного тока на графиках приведенной скорости рекомбинации.

Для образцов партии В (рис. 1,6) из-за разницы углов наклона В АХ при различных напряжениях можно предположить, что вид ВАХ определяют не только токи рекомбинации. Опираясь на нелинейные особенности ВАХ переходов с дислокациями, был произведен расчет вольтамперных характеристик лавинных фотодиодов. Результаты расчета показали, что вольтамперная характеристика данной партии определяется двумя механизмами: током через дислокации и током рекомбинации, сумма которых равна реальной ВАХ.

Третья глава посвящена исследованию механизма пробоя лавинных фотодиодов на основе германия, а также обсуждаются вопросы, связанные с описанием механизмов, формирующих "обратные" ВАХ в области пробоя.

С целью нахождения распределения электрического поля были измерены профили концентрации образцов и показано, что распределение электрического поля в ЛФД можно описывать моделью с линейным распределением примеси, однако с определенными допущениями. Поэтому распределение электрического поля было рассчитано численными методами непосредственно из емкостных измерений. В дальнейшем это распределение электрического поля было использовано для определения характеристик пробоя.

По результатам найденных профилей концентрации исследуемые ЛФД были разделены на две партии (А и В).

Для того, чтобы правильно интерпретировать механизмы токопереноса, выполнены измерения обратных ВАХ в широком диапазоне температур. На основе температурной зависимости обратного тока показано, что существуют два основных температурных интервала, в которых механизмы переноса тока существенно отличаются. При температурах выше 300 К преобладает диффузионный механизм. При температурах ниже 300 К преобладает прыжковый механизм переноса, удовлетворительно описываемый законом Morra. Плотность состояний на уровне

Ферми ~ 10^4 эВ_1-см"3 . По-видимому прыжковый перенос осуществляется по локализованным состояниям дислокаций.

Несмотря на достаточную концентрацию глубоких центров (~Ю^см"3), токов, обусловленных генерацией через эти уровни, не наблюдается. По-видимому, они (токи) подавляется прыжковым механизмом переноса. Это говорит о достаточно высокой плотности дислокаций в исследуемых образцах.

Подробно исследованы механизмы образования пробоя в ЛФД. Из рис.2,а видно, что образцы партии В характеризуются более высоким темновым током, поэтому можно предположить, что из-за наличия дислокаций возникают каналы микроплазм (МП), которые имеют меньшее пробивное напряжение.

б)

I, А

10

10

10

1е-8Д

~т— 10

15

20 ~25и,В 14

Рис.2. Обратные ВАХ лавинных фотодиодов: а) двух различных партий при комнатной температуре, б) Результат моделирования ВАХ образцов второй партии с учетом микроплазменного пробоя при температуре 214 К. Точками изображена экспериментальная кривая; сплошной линией - расчетная.

Используя выражение для ВАХ с микроплазмами [1]:

г -ЛоИ,. ,йи-и 1 ----1ег/с—г=—

2 Я, -Лет , (1)

где 11м - среднее напряжение пробоя микроплазм, а- среднеквадратичное отклонение напряжения пробоя МП, Л^- полное число микроплазм, сопротивление микроплазмы, был произведен расчет обратной ВАХ в области пробоя.

18 ЦВ

Из "обратных" вольтамперных характеристик можно определить основные параметры, характеризующие совокупность МП лавинных фотодиодов, что дает возможность рассчитать ВАХ ЛФД с микроплазмами.

С помощью данного расчета было показано, что пробой в образцах второй партии обусловлен МП, образование которых можно связать с дислокациями, возникающими при изготовлении р-п-перехода методом высокотемпературной диффузии. А также из-за поверхностных нарушений, которые способствуют возникновению микроплазм, поскольку глубина залегания р-п-перехода мала (всего 2,5 мкм).

В четвертой главе моделировались процессы дефектообразования в кислородосодержащем германии. С этой целью были выбраны два характерных интервала температур, при которых производился отжиг: высокотемпературный отжиг, который перекрывает процесс технологической диффузии р-п-перехода ЛФД, и низкотемпературный, который связан с процессами остывания после диффузии и процессами изготовления контактов.

Было произведено травление поверхностей образцов, отожженных при различных температурах, с использованием нескольких травителей с целью выяснения наличия дислокаций, возникающих в процессе отжига.

После проведения травления на отожженных пластинах были созданы методом вакуумного напыления алюминия поверхостно-барьерные структуры. Для исследования высоты полученных барьеров были измерены прямые и обратные ВАХ. Найденные высоты потенциальных барьеров по результатам измерений вольтамперных характеристик коррелировали между собой.

Для исследования поверхности использовали инфракрасный микроскоп "ИНФРАМ-5". Образцы, отожженные при температурах 623-773 К, не обнаруживали на поверхности заметных дефектов. Вторая же партия образцов, отожженных при температуре 1023-1100 К, отличалась ярко выраженными дислокационными ямками травления. Число дислокаций не только увеличивалось с температурой отжига, но и при наибольших температурах (свыше 1000 К) дислокации образовывали крупные

скопления. Это также подтверждается зависимостью концентрации дефектов образцов от температуры отжига, полученной из емкостных измерений.

При низкотемпературном отжиге (623-773 К) было показано, что концентрация глубоких центров зависит от температуры отжига. С помощью 4-зондового метода было измерено удельное сопротивление образцов, по которому была рассчитана концентрация термических дефектов. Для сравнения было произведено измерение концентрации дефектов методом вольтфарадной характеристики, результаты опытов коррелировали между собой.

Также концентрации дефектов были найдены методом термостимулированной емкости. Значения энергетического положения глубоких уровней, полученные по методу ТСЕ приведены в таблице 2.

Табл.2.

Ет, эВ

Муппвня 1 2 3 4 5

неотожженный 0,12±0,03 0,21+0,03 0,20±0,03 0,10±0,03 _

593 0,33±0,04 0,20±0,03 0,10±0„03 0,15±0,03 0,21±0,03

653 0,31±0,04 0,21+0,03 0,20+0,03 0,11+0,03 0,15±0,03

773 0,30±0,04 0,21 ±0,03 0,2010,03 0,11±0,03 0,10±0,03

При повышении температуры отжига концентрация термических дефектов несколько возрастает. Средняя энергия активации этого процесса составляет 1,0±0,1 эВ, что соответствует энергии образования вакансий. Так как в процессе отжига больше не появляется новых центров, это говорит о том, что данными дефектами являются вакансионно-кислородные комплексы.

Методом инфракрасной спектроскопии был найден коэффициент поглощения межузельного кислорода. Было сделано предположение, что, поскольку при отжиге возникают и распадаются кислородосодержащие комплексы, то концентрация, а, следовательно, и поглощение межузельного кислорода должны у образцов, отожженных при различных температурах, отличаться. При изохронном отжиге

германия кислород, начиная с некоторой температуры, собирается в комплексы, размер которых с температурой меняется. При более высокой температуре (порядка 1000 К) комплексы распадаются и концентрация кислорода возрастает до максимальной [2].

Сопоставление результатов изменения концентрации кислорода в процессе отжига с результатами металлографического исследования показали, что по мере того, как уменьшается концентрация свободного кислорода, что является результатом преципитации, увеличивается плотность дислокаций в образцах. Таким образом, преципитаты создают области избыточных напряжений, которые снимаются в образце образованием дислокаций. Из этого следует, что брак лавинных фотодиодов по напряжению пробоя связан с отклонениями от технологии, т.е. связан либо с повышением температуры диффузии от рекомендованных диапазонов, либо процесс этой диффузии слишком длительный. Это проводит к возникновению преципитатов, способных привести к появлению дислокаций, которые в свою очередь закорачивают р-п-переход и приводят к браку приборов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Экспериментальный и теоретический анализ, проведенный в диссертации показывает, что при высотемпературной диффузии р-области в п-германий, содержащий кислород, протекают процессы преципитации кислорода, которые приводят к возникновению повышенной плотности дислокаций. Данные дислокации в лавинных фотоприемниках приводят к увеличению темнового тока и уменьшению напряжения пробоя, связанных с образованием микроплазм, и соответственно к браку приборов по пробивным характеристикам.

2. Исследование температурных зависимостей тока лавинных фотодиодов при прямом и обратном смещении показало, что при температурах ниже комнатной имеет место прыжковая проводимость, которая хорошо описывается законом Мотта. Характеристическая температура прыжковой проводимости позволяет вычислить

плотность электронных состояний вблизи уровня Ферми. Ее величина говорит о том, что прыжки осуществляются по локализованным состояниям дислокаций.

3. Результаты металлографического анализа подтвердили, что при высоких температурах отжига образуется высокая плотность дислокаций, которая увеличивается по мере роста температуры отжига. Оптическими методами исследовано, что при этом убывает концентрация свободного кислорода. Это связано с преципитацией, которая приводит к возникновению дислокаций.

4. Определены параметры глубоких центров в лавинных фотодиодах несколькими способами. Значения энергии активации уровней, полученных из рекомбинационного анализа прямой ВАХ и методом термостимулированной емкости коррелирует со значениями энергии вакансионно-кислородных комплексов.

5. Найденные вакансионно-кислородные комплексы не оказывают заметного влияния на электрические характеристики приборов, так как ЛФД работают при напряжениях, близких к пробивным. В этой области напряжений основную роль в формировании ВАХ диодов играют дислокации.

6. Разработана технология, изготовлены и исследованы поверхостно-барьерные диоды на основе германия, подвергнутого предварительному отжигу. Показано, что отжиг материала в диапазоне температур 623-773 К сопровождается образованием термодоноров и генерацией центров, создающие глубокие уровни. Энтальпия образования центров 1эВ и их энергии термической активации указывают на то, что этот процесс связан с генерацией вакансий в германии, а сами центры являются, скорее всего, вакансионно-кяслородными комплексами.

7. Результаты исследований показали, что для уменьшения числа дислокаций, возникающих при отжиге, нужно либо понизить температуру диффузии, так как она близка к температуре активной преципитации, либо уменьшить время самой диффузии.

Таким образом, проведенные выше исследования показали активную роль кислорода в процессах дефектообразования в германии: преципитация кислорода создает дислокации и приводит к деградации параметров лавинных фотоприемников.

!озникают термодоноры и центры с глубокими уровнями, которые являются омплексами на основе кислорода.

Список использованной литературы:

1] Грехов И.В., Сережкин Ю.Н. Лавинный пробой р-п-переходов в юлупроводниках.- Л.: Энергия, 1980.152 с.

2] Булярский C.B., Светухии В.В., Приходько О.В. Кинетика кластеризации ■ислорода в кремнии. /7 Тезисы конференции "Перспективные материалы и ехнояогяя для средств отображения информации". Кисловодск. 1996.с.92.

Эсновное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. 1 1 J . 1 V ' . iVJliikltuCu JÛ)J.'lj 'ли 1 Vjli>îiiuA ÎÎCjîv/iiiVi"" " ' ■''■'i.''-'-''

cintiHHHï фотодиодах.- Течисы докладов студентов и аспирантов на IV ежегодной ыучно-практической конференции,- Ульяновск 1995 г, с.39.

иу.;ли и V.-. i J., i n.iw. купрьиълътле жакл^УС (/C-Jmi.i l (-•>tr.>f,i

lepexodoe в германиевых лавинных фотодиодах. В сб.: "Перспективные материалы и [схнологии для средств OToGpci/Ксния гмтфор^ацшг. г\.хгслсводс1с.

3. Громова П.Ю. Исследование ионизации в области пробоя. В сб.: Труды молодых ученых Ульяновского государственного университета. Ульяновск: УлГУ. 1996. с.23-25.

4. Громова Н.Ю., Мухрыгин В.10. Глубокие уровни в лавинных фотодиодах на основе германии. - Твердотельная электроника. -Ульяновск: Изд-во СВНЦ. 1996. Вып.1. с.20-25.

5. Громова Н.Ю., Светухип В.В., Приходько В.В., Приходько О.В. Преципитация кислорода в германии при отясиге. В сб. "Перспективные материалы и технологии для средств отображения информации." Кисловодск. 1996. с.94.

6. Булярский C.B., Громова Н.Ю. Глубокие уровни в фотоприемниках с лавинным умножением на основе германия. Тезисы докладов Первой Всероссийской

конференции но материаловедению и физикохимическим основам технолог» получения легированных кристаллов кремния. Москва. 1996. с.266-267.

7. Булярский C.B., Громова НЛО. Диаграмма включения в рекомбинаци глубоких уровней лавинных фотодиодов на основе германия. Тезисы докладов Ш-< Российской университетско-академической научно-практической конференци Ижевск,1997, с.134.

Подписано в печать 15.09.97.Формат 84x108/32. Усл.печ.л.0,8 Уч.-изд.л.0,7.Тираж 100. Заказ №114/

Отпечатано с оригинал-макета в лаборатории оперативной полиграфии Ульяновского государственного университета 432700, г.Улышовск, ул.Л.Толстого, 42