Возможности создания автоколебательной среды
в структурах р
+
-р (Si<Mn>)-p
+
на основе
сильнокомпенсированного кремния
Зикриллаев Х.Ф., Аюпов К.С., Абдуллаева Н.У.,
Умарходжаева З.Н., Хасанбаева С.О., Яхёев М.М.,Саитов.Э.Б.,.Жураев.О.Ш.
https://doi.org/10.5281/zenodo.10470970
В работе приводятся результаты исследований ВАХ и автоколебаний тока в структурах р
+
-р(Si<Mn>)-p
+
на основе сильнокомпенсированного кремния. Обнаруженные в сильнокомпенсированном кремнии
легированного марганцем, автоколебания связанны с инжекцией дырок.
ключевые слова:
кремний, ток, инжекция, структура, компенсация, автоколебания, дырка, ловушка.
Современный этап развития электроники
и микроэлектроники не возможно представить
без
улучшения
контактных
свойств
полупроводниковых приборов. Этот этап требует
умения формулировать условия оптимизации
технологических процессов получения хороших
омических
и
инжекционных
контактов,
уменьшения себестоимости затрат при получении
контактов. Для этой цели разрабатываются новые
замены дорогостоящих материалов, таких как
золото, серебро и др. на более дешевые. В этом
плане сблизить лабораторную технологию
получения полупроводниковых приборов и
заводские
условия
имеет
определенную
перспективу. Это связано с тем, что многие
физические эффекты и явления еще не нашли
своего
практического
применения
из-за
невозможности использования существующих
технологических
режимов
при
выпуске
полупроводниковых приборов.
Исследование инжекционных токов в
сильнокомпенсированных полупроводниках, в
частности кремнии с глубокими примесными
уровнями может дать ценную и полезную
информацию о природе этих уровней, а также для
определения
механизма
токопрохождения.
Анализ
ВАХ
таких
структур
позволяет
определить высоту потенциальных барьеров,
возникающих на границах перехода контактов,
что позволяет оценить влияние инжектирующих
контактов на возникающие физические эффекты
[1-3]. В этом плане структуры, полученные на
основе
сильнокомпенсированного
кремния,
вызывают интерес исследователей, так как в них
был обнаружен ряд интересных физических
явлений, которые имели бы широкое применение
в полупроводниковой электронике.
Вольт – амперные характеристики
структур исследовались в темноте и при
комнатной температуре. Исследование ВАХ
структур показало, что при определенных
значениях напряжения наблюдается резкий рост
тока. (с целью показать, что этот рост связан с
монополярной
инжекцией,
нами
была
исследована ВАХ исходных образцов КДБ – 2;
4,5; 10; 100 до и после термоотжига и структур с
компенсированными
атомами
марганца
и
нелегированными (рисунке 1.). Сравнения
полученных результатов показали, что резкий
рост тока связан именно с инжекцией носителей
тока в базу структур, компенсированных
марганцем. В остальных структурах (рисунок
5.2.) такой резкий рост тока не наблюдается.
С целью показа, что резкий рост тока
связан именно с монополярной инжекцией
дырок нами также были исследованы ВАХ
р
+
-р(Si<Mn>)-p
+
; р
+
-n(Si<Mn>)-p
+
; n
+
-
р(Si<Mn>)-n
+
;
n
+
-n(Si<Mn>)-n
+
на
основе
сильнокомпенсированного
кремния
легированного марганцем (рисунок 2). Эти
исследования показали, что именно в структурах
р
+
-р (Si<Mn>)-p
+
наблюдается многополярная
инжекция дырок, которые ответственны за
возникновение инжекционных неустойчивостей
тока.
Рисунок 1. ВАХ исходных и
контрольных отожженных структур
р
+
- р - р
+
при Т = 300 К в темноте:
а). p
+
- p - p
+
до ТО;
б). p
+
- p - p
+
после ТО;
в). КДБ до ТО;
г). КДБ после ТО.
Исследования ВАХ инжекционных
структур
с
различной
концентрацией
инжектирующего
слоя
дали
возможность
определить величину концентрации бора, при
которой наблюдается резкий рост тока. ВАХ
таких исследований показан на рисунок 3. Как
видно из рисунка с ростом концентрации бора на
инжектирующем
слое
в
интервале
N
=10
15
10
20
см
-3
рост тока наблюдается, когда
концентрация бора доходит до концентрации
порядка
10
17
см
-3
и дальше. Следует учесть, что
рост концентрации бора в р
+
-слое приводит к
смещению более низких напряжений, при
которых наблюдается степень роста тока. При
концентрациях больше чем N
В
10
18
см
-3
,
заметного влияния на ход ВАХ в структурах р
+
-р
(Si<Mn>)-p
+
не наблюдается. В интервале
концентрации
инжектирующих
контактов
N
В
=10
17
10
20
см
-3
после резкого роста тока в цепи
появляются автоколебания тока.
Рисунок.
2
ВАХ
структур
1-р
+
-
р(Si<Mn>)p
+
; 2-p
+
-n(Si<Mn>)-p
+
; 3-
n
+
-n(Si<Mn>); 4-n
+
-p(Si<Mn>)-n
+
при Т=300К,
удельное сопротивление базы было
=5
10
4
Ом
см
Исследования
ВАХ
структур
р
+
-р
(Si<Mn>)-p
+
позволили
получить
полную
информацию о монополярной инжекции дырок.
Как известно из литературных данных [4-12],
монополярная инжекция носителей заряда
наблюдается в полупроводниковых материалах с
глубокими энергетическими уровнями, которые
являются ловушками для основных носителей
тока.
Рисунок 3. ВАХ р
+
- р(Si<Mn>)-р
+
структур c различной
концентрацией р
+
слоя:
1 - 10
15
см
-3
; 2 - 10
16
см
-3
; 3 - 10
17
см
-3
;
4 - 10
18
см
-3
; 5 - 10
19
см
-3
;
Квадратичный участок ВАХ структур
соответствует многополярной инжекции дырок.
Величина напряжения, при котором начинается
резкий рост тока - V
nзл
(nзл – полевой заряд
ловушек), дает возможность четко определить
полное заполнение ловушек, ответственных за
возбуждения автоколебаний тока в исследуемой
структуре. Результаты исследования ВАХ
структур
при
различных
интенсивностях
освещения позволяют получить сведения о
полной концентрации и энергии ионизации
действующих
ловушек
в
сильнокомпенсированном кремнии. Зависимость
V
nзл
от положения квазиуровня Ферми позволяет
определить распределение ловушек по энергиям в
запрещенной зоне кремния [13-14],.
Если известна величина V
nзл
, можно
определить концентрации ловушек из формулы:
2
еd
V
N
пзл
t
=
(1)
здесь:
–
диэлектрическая
проницаемость кремния, е – заряд электрона, d –
толщина базы структур.
Это в свою очередь дает возможность
определения энергии ионизации ловушек при
данной температуре.
t
S
t
v
QgN
N
kT
E
E
ln
=
−
(2)
Q-коэффициент,
показывающий
соотношение концентрации свободных носителей
тока к концентрации носителей, захваченных в
ловушках, которая определяется выражением
X
V
L
n
Q
2
0
=
(3)
Результаты вычисления показывают, что
для
сильнокомпенсированного
кремния,
легированного атомами марганца, эта величина
составляет порядка Q
(1
3)½10, а максимальные
значения концентрации и энергии активизации
ловушек соответственно равны N
t
=2,4
10
10
см
-3
и
Е
t
=(0,14
0,16)эВ.
Зная
экспериментальные
значения V
nзл
и Q при различных интенсивностях
освещения
для
сильнокомпенсированных
образцов
Si<Mn>
в
различной
степени
компенсации можно определить энергетические
распределения ловушек в структурах р
+
-р
(Si<Mn>)-p
+
, ответственных за возбуждение
автоколебаний тока.
Из результатов исследований ВАХ
структур также можно определить величину
подвижности носителей тока, что и является
важной величиной для объяснения не только
механизма инжекционной неустойчивости, но
также дают информацию об изменении
подвижностей носителей тока в условиях сильной
компенсации [15-16],. Для вычисления величины
подвижности была использована формула:
=Id
2
/EV
(4)
При этом величина подвижности дырок
находилась в интервале
=10
300см
2
/В
ск в
зависимости
от
температуры,
степени
компенсации базы структур и интенсивности
освещения.
Результаты
исследования
ВАХ
в
различных
структурах
на
основе
сильнокомпенсированного кремния показали, что
только в структурах р
+
-р (Si<Mn>)-p
+
достаточно
четко проявляется резкий рост тока (ТОПЗ – ток
объемного полевого заряда) и связанного с ним
автоколебания тока. В структурах р
+
-n (Si<Mn>)-
p
+
; n
+
-n (Si<Mn>)-n
+
; n
+
-р (Si<Mn>)-n
+
в
исследуемой нами области не наблюдается ТОПЗ
и автоколебания тока. Это свидетельствует о том,
что
наблюдаемые
явления
такие
как
вертикальный рост тока и автоколебания тока
связаны с инжекцией дырок в базу структур р
+
-р
(Si<Mn>)-p
+
[207].
Как показали обзор литературы [5,13,17]
исследования инжекционных автоколебаний
тока в структурах р
+
-р(Si<Mn>)-p
+
вызывают
определенный интерес с целью получения
дополнительной информации для создания
единой
модели
неустойчивости
тока
в
сильнокомпенсированном кремнии. Кроме того,
это исследование показывает возможности
создания твердотельных генераторов и датчиков
внешних воздействий, работающих в широком
интервале температур T=77
350K частотой f=10
-
3
10
5
Гц со
100% глубиной модуляции [18,19].
Как было показано при
исследованиях ВАХ в структурах р
+
-
р(Si<Mn>)-p
+
, при определенных значениях
напряжений возбуждаются инжекционные
автоколебания тока, которые связаны с
монополярной инжекцией дырок.
Исследования показали, что автоколебания
тока в таких структурах обязательно
возбуждают поле вертикального роста тока на
участке ВАХ. Установлено, что перед
автоколебаниями тока со стабильными
параметрами, наблюдаются хаотические
колебания, которые с небольшим
увеличением напряжения переходят к
регулярным. На рисунок.5. показаны
различные формы автоколебаний тока.
Рисунок 5. Различные формы
инжекционных автоколебаний тока в
структурах р
+
-р(Si<Mn>)-p
+
.
Нами для определения зависимости
условий
возбуждения
и
параметров
автоколебаний тока от степени компенсации
базы,
были
получены
структуры
р
+
-
р(Si<Mn>)-p
+
с удельными сопротивлениями
базы
б
=10
2
10
5
Ом·см.
Исследования
показали, что автоколебания в структурах
наблюдаются
при
околокомнатной
температуре и темноте, с удельными
сопротивлениями
базовой
области
б
3·10
2
Ом·см. На рисунок 6. показаны
изменения
пороговых
напряженностей
электрического
поля,
при
которых
возбуждаются инжекционные автоколебания
тока, от удельного сопротивления базы
структур.
Как видно из рисунка, аналогично, как
и РВ, с ростом удельного сопротивления базы
структур величина пороговой напряженности
электрического поля растет. Здесь также
следует отметить, что с ростом концентрации
электроактивных атомов марганца, пороговая
напряженность
электрического
поля
и
значение удельного сопротивления базы, при
котором возбуждаются автоколебания тока
смещаются в сторону меньших значений.
Эти исследования дали возможность
определить граничные области существования
инжекционных
автоколебаний
тока
от
величины удельного сопротивления базы
структур р
+
-р(Si<Mn>)-p
+
. Так же было
показано, что в других структурах р
+
-n-p
+
; n
+
-
n-n
+
; n
+
-p-n
+
в исследованном интервале
напряженности
электрического
поля
и
температуры
не
было
обнаружено
инжекционных автоколебаний тока.
Рисунок 6. Зависимости пороговой
напряженности
электрического
поля от удельного сопротивления
базы структур р
+
-р(Si<Mn>)-p
+
при
Т=300К
1-N
Mn
=2
10
15
см
-3
,
2-
N
Mn
=2
10
16
см
-3
б
,
1
1
1
1
E
n
1
2
С целью определения как влияет толщина
базы структур на условия возбуждения и
параметры инжекционных автоколебаний тока,
нами были исследованы автоколебания тока в
структурах с различными толщинами базы.
Исследования показали, что с уменьшением
толщины
базы
пороговая
напряженность
электрического поля Е
п
фактически остается
постоянной. Величины амплитуды и частоты
автоколебаний тока растут. Нами удалось
уменьшить толщину базы структур р
+
-р
(Si<Mn>)-p
+
до ~300 мкм и при этом
инжекционные автоколебания тока возбуждались
в цепи. Дальнейшее уменьшение толщины
структур было ограничено по технологическим
причинам. Результаты исследований показали,
что инжекционные автоколебания тока в
структурах р
+
-р(Si<Mn>)-p
+
наблюдаются в
широком интервале удельного сопротивления
базы
б
=10
2
10
5
Ом
см и величина их зависит от
концентрации
электроактивных
примесных
атомов
марганца.
Также
показано
что,
инжекционные автоколебания тока имеют
объемный
характер.
Полученные
экспериментальные
результаты
дают
возможность подбора структур р
+
-р(Si<Mn>)-p
+
с
оптимальными
электрофизическими
параметрами базы для дальнейших исследований.
ЛИТЕРАТУРА
1.
Zakari M. Stochustic model of plusma waves for
a zimple band stucture in semiconductors. Phys
Rev
B.
1998-57,в.19
с.12145-12150.
Стохостическая модель плазменных волн для
данной
структуры
полупроводников.
Прикладная физика, 2020, № 5. стр.80-85.
2.
Х.
М.
Мадаминов
Исследование
особенностей токов двойной инжекции в pSi-
nSi1-xSnx-структурах
3.
Владимиров В.В. и др. Хаотические
автоколебания
в
варизонных
полупроводниковых
структурах
ФТП.
1992,в.9,с.1580.
4.
Лампер М., Марк П. Инжекционные токи в
твёрдых телах. Москва 1973,с.416.
5.
Жданова Н.Г. Каган М.С., Сурис Р.А. Фукс
Б.И. Влияния монопалярной инжекции на
высокочастотную
проводимость
компенсированных
полупроводниках,-
ФТП,1979,т.13, в.7, с.1314-1318.
6.
Муравски Б.С. исследование аномальных
характеристик
точечных
контактов
с
поверхностью
германия
и
кремния
ФТП,1962,т.4,в.9,с.2485-2486.
7.
Прохьпенко В.Г. Повышение точности и
стабильности
ВАХ
полупроводниковых
источников отрицательного сопротивления.
Микроэлектроника 1998,27.в.5.ст370-375.
8.
Володин Н.М., Смертенко П.С., Федоренко
Л.Л., Ханова А.В. Особенности ВАХ
длинных полупроводниковых структур на
сверхвысоких уровня двойной инжекции.
ФТП.1998.т.32.№12. с.1476-1481.
9.
Sah C.T., Walker T.W. Thermally stimulated
capacitance for shallow majority-carries traps in
the edqe reqion of semiconductor junctions.
Appl.Phys. Letters. 1973,v.22,N8,P.384-385.
10.
Карпова
И.В.,
Калашников
С.Г.,
Константинов
О.В.,
Перель
В.И.
Рекоибинационные волны в магнитном поле:.
Зависимость критического электрического
поля неустойчивости от магнитного поля.
ФТП.1973.т.7. в.1.с.72-75.
11.
Antognetti P., Chaibrera A., Ridella S.New
Instability critetion for recombination wave
diodes. Appl,Phys.Lett.1971,18,N 12,P.544-546.
12.
Богун
П.П.,
Корнилов
Б.В.
Рекомбинационные волны в германии с
никелем. ФТП,1976.10.в.4. с.765-768.
13.
И.Б.Чистохин,
Е.Г.Тишковский,
Н.Н.Герасименко Неустойчивости тока в
фотосопротивлении на основе кремния,
легированного селена. ФТП 1992 г.
том.26.вып.9.
14.
Ayupov K.S. Physical Principles of elaboration
novel class of sensors on compensated
semiconductor Si<Se> //XX century in the
history of Central
Asia. International
Conference. – Tashkent, August 13, 2004.
15.
Аюпов К.С., Кадырова Ф.А., Илиев Х.М.
Технология получения компенсированных
образцов кремния, легированного селеном //
Развитие технических наук в условиях
рыночной
экономики.
Республиканская
научно-практическая
и
теоретическая
конференция
профессорско-
преподавательского
состава.
–
ТГТУ,
Ташкент, 3-5 июнь 2003.
16.
Аюпов
К.С.,
Бахадырханов
М.К.,
Ф.А.Кадырова, Бобонов Д.Т. Исследование
автоколебательных процессов в кремнии,
компенсированном селеном // Рост, свойства
и применение кристаллов: III национальная
конференция. -Ташкент, 22-23 октября 2002г.
С.76-77.
17.
Абдурахманов
Б.А.,
Аюпов
К.С.,
Бахадырханов М.К., Х.М.Илиев, Бобонов
Д.Т.. Зикриллаев Н.Ф., Сапарениязова З.М.,
Тошов А. “Низкотемпературная диффузия
примесей в кремнии” // Доклады Академии
наук Республики Узбекистан. – Ташкент,
2010. - №4. - С.32-36.
18.
Аюпов К.С., Бахадырханов М.К., Бобонов
Д.Т., Зикриллаев Н.Ф., Нурмаматов О
«Управление параметрами автоколебаний в
кремнии легированном селеном» Узбекский
физический журнал 2010, Вып.3, стр.26-29.
19.
Бахадырханов М.К., Зикриллаев Н.Ф., Аюпов
К.С., Бобонов Д.Т. Патент IАP 20090298
Твердотельный генератор звуковой частоты.
УзР ФТДК Давлат Патент идорасининг
Ахборотномаси, 5-сон, 2011 йил.
