ОЛIХ ОЛЕГ ЯРОСЛАВОВИЧ АКУСТО– ТА РАДIАЦIЙНО–IНДУКОВАНI ЯВИЩА В ПОВЕРХНЕВО–БАР’ЄРНИХ КРЕМНIЄВИХ ТА АРСЕНIД–ҐАЛIЄВИХ СТРУКТУРАХ

Краткое описание

Київський нацiональний унiверситет iменi Тараса Шевченка Мiнiстерство освiти i науки України Київський нацiональний унiверситет iменi Тараса Шевченка Мiнiстерство освiти i науки України Квалiфiкацiйна наукова праця на правах рукопису ОЛIХ ОЛЕГ ЯРОСЛАВОВИЧ УДК 534.29; 537.312; 537.37; 53.09 ДИСЕРТАЦIЯ АКУСТО ТА РАДIАЦIЙНОIНДУКОВАНI ЯВИЩА В ПОВЕРХНЕВОБАР’ЄРНИХ КРЕМНIЄВИХ ТА АРСЕНIДҐАЛIЄВИХ СТРУКТУРАХ 01.04.07 — фiзика твердого тiла Подається на здобуття наукового ступеня доктора фiзико-математичних наук Дисертацiя мiстить результати власних дослiджень. Використання iдей, результатiв i текстiв iнших авторiв мають посилання на вiдповiдне джерело О. Я. Олiх Київ — 2018

Змiст Стр. ПЕРЕЛIК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ ТА СКОРОЧЕНЬ . . . . . . . . . . . . 24 ВСТУП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 РОЗДIЛ 1. ПЕРЕДУМОВИ ТА ОСОБЛИВОСТI ВИКОРИСТАННЯ АКТИВНОГО УЛЬТРАЗВУКА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 1.1. Ефекти впливу ультразвука на мiкроелектроннi структури та матерiали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 1.1.1. Результати застосування ультразвукових обробок . . . . . . 36 1.1.2. Динамiчнi акустоiндукованi ефекти . . . . . . . . . . . . . 41 1.1.3. Ультразвуковi методи дослiдження дефектної структури . . 45 1.2. Методологiчнi аспекти застосування ультразвука . . . . . . . . . . 47 1.2.1. Методика вивчення ультразвукового впливу . . . . . . . . . 48 1.2.2. Оцiнка параметрiв акустичного впливу . . . . . . . . . . . . 51 1.2.3. Особливостi низькотемпературного ультразвукового навантаження . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 РОЗДIЛ 2. ДИНАМIЧНI АКУСТОIНДУКОВАНI ЕФЕКТИ В ОПРОМIНЕНИХ ТА ВИХIДНИХ КРЕМНIЄВИХ СТРУКТУРАХ IЗ p—nПЕРЕХОДОМ . . . . . . . . . . . . . . . 56 2.1. Структура кремнiєвих сонячних елементiв. Режими опромiнення та ультразвукового навантаження . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 2.2. Оборотна акустоiндукована деградацiя кремнiєвих сонячних елементiв . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2.2.1. Методи визначення параметрiв КСЕ . . . . . . . . . . . . . . 60 2.2.2. Вплив ультразвука на фотоелектричне перетворення . . . . 65 2.2.3. Акустокерована рекомбiнацiя в КСЕ . . . . . . . . . . . . . 68 20 Стр. 2.2.4. Розрахунок залежностей напруги холостого ходу та фактора форми в рамках моделi подвiйного дiода . . . . . . 76 2.3. Модель акустоактивного комплексного дефекту . . . . . . . . . . . 78 2.4. Система рекомбiнацiйних центрiв вихiдних КСЕ . . . . . . . . . . . 86 2.4.1. Вплив iнтенсивного освiтлення на параметри КСЕ . . . . . 86 2.4.2. Iдентифiкацiя дефектiв, розташованих в областi просторового заряду . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 2.4.3. Змiна активностi рекомбiнацiйних центрiв у кремнiєвих p—nструктурах при ультразвуковому навантаженнi . . . . . 98 2.5. Особливостi акустодефектної взаємодiї в опромiнених кремнiєвих структурах iз p—nпереходом . . . . . . . . . . . . . . . 103 2.5.1. Оцiнка радiацiйноiндукованого дефектоутворення . . . . . 104 2.5.2. Область просторового заряду . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 2.5.3. Квазiнейтральна область . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 2.5.4. Акустоiндукованi змiни опору шунтування . . . . . . . . . 114 2.5.5. Особливостi впливу ультразвукового навантаження на фотогенерацiю струму в опромiнених нейтронами структурах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 Висновки до роздiлу 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 РОЗДIЛ 3. ПОРIВНЯЛЬНИЙ АНАЛIЗ ТА ОПТИМIЗАЦIЯ МЕТОДIВ РОЗРАХУНКУ ПАРАМЕТРIВ СТРУКТУР МЕТАЛ—НАПIВПРОВIДНИК . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 3.1. Основнi параметри дiодiв Шотткi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 3.2. Контрольнi вольтампернi характеристики . . . . . . . . . . . . . . 128 3.2.1. Iдеальнi синтезованi ВАХ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 3.2.2. Синтезованi ВАХ iз випадковими похибками . . . . . . . . 130 3.2.3. Експериментальнi ВАХ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 3.3. Оцiнювання точностi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 3.4. Використанi методи визначення параметрiв дiодiв Шотткi . . . . . 131 3.4.1. Аналiтичнi методи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 21 Стр. 3.4.2. Числовi методи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 3.4.3. Еволюцiйнi алгоритми . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 3.5. Порiвняння ефективностi методiв визначення параметрiв структур метал—напiвпровiдник . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 3.5.1. Точнiсть визначення параметрiв на основi iдеальних ВАХ . 148 3.5.2. Швидкодiя методiв визначення параметрiв дiодiв Шотткi . . 157 3.5.3. Вплив випадкових похибок на точнiсть визначення параметрiв структур метал—напiвпровiдник . . . . . . . . . 159 3.5.4. Визначення параметрiв реальних структур метал—напiвпровiдник . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 Висновки до роздiлу 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 РОЗДIЛ 4. ЕФЕКТИ ВПЛИВУ γОПРОМIНЕННЯ ТА УЛЬТРАЗВУКОВОГО НАВАНТАЖЕННЯ ПРИ КIМНАТНИХ ТЕМПЕРАТУРАХ НА СТРУКТУРИ Al—nn +Si З КОНТАКТОМ ШОТТКI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 4.1. Загальна характеристика структур Al—nn +Si . . . . . . . . . . . . 170 4.2. Особливостi перенесення заряду в структурах Al—nn +Si з бар’єром Шотткi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 4.2.1. Пряме змiщення . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 4.2.2. Зворотне змiщення . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 4.3. γiндукованi ефекти в структурах Al—nn +Si . . . . . . . . . . . . 190 4.3.1. Прямий струм у γопромiнених кремнiєвих дiодах Шотткi 191 4.3.2. Перенесення заряду в γопромiнених структурах Al—nn +Si при зворотному змiщеннi . . . . . . . . . . . . 200 4.4. Вплив ультразвукового навантаження на перенесення заряду в γопромiнених та неопромiнених структурах Al—nn +Si . . . . . 207 4.4.1. Режими ультразвукового навантаження структур Al—nn +Si . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 4.4.2. Акустоiндукованi змiни висоти бар’єру Шотткi . . . . . . . 208 22 Стр. 4.4.3. Особливостi поведiнки тунельної та термоемiсiйної компонент зворотного струму в умовах ультразвукового навантаження . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 Висновки до роздiлу 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 РОЗДIЛ 5. ОСОБЛИВОСТI ДИНАМIЧНИХ АКУСТОIНДУКОВАНИХ ЗМIН ПАРАМЕТРIВ СТРУКТУР Mo—nn +Si В ДIАПАЗОНI 130÷330 K . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 5.1. Режими ультразвукового навантаження структур Mo—nn +Si . . . 219 5.2. Динамiчнi ефекти впливу ультразвука на IV T характеристики кремнiєвих структур iз бар’єром Шотткi . . . . . . . . . . . . . . . 220 5.2.1. Визначення параметрiв високотемпературної компоненти струму . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 5.2.2. Характеристики низькотемпературної компоненти струму . 229 5.2.3. Механiзм акустодефектної взаємодiї у кремнiєвих дiодах Шотткi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 5.3. Вплив ультразвукового навантаження на струм втрат дiодiв Шотткi 239 5.3.1. Особливостi зворотного струму при ультразвуковому навантаженнi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 5.3.2. Механiзми виникнення струмiв втрат в структурах Mo—nn +Si . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 5.3.3. Вплив ультразвука на характеристики перенесення заряду . 248 Висновки до роздiлу 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250 РОЗДIЛ 6. ЗАЛИШКОВI ЕФЕКТИ, СПРИЧИНЕНI МIКРОХВИЛЬОВИМИ ТА УЛЬТРАЗВУКОВИМИ ОБРОБКАМИ НАПIВПРОВIДНИКОВИХ СТРУКТУР НА ОСНОВI GaAs, SiC ТА Si . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 6.1. Вплив мiкрохвильових обробок на дефектну пiдсистему структур GaAs та монокристалiв карбiду кремнiю . . . . . . . . . . . . . . . 252 6.1.1. Параметри структур та методи дослiджень . . . . . . . . . . 253 23 Стр. 6.1.2. Вплив мiкрохвильових обробок на параметри глибоких рiвнiв . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256 6.2. Акустоiндукована корекцiя структур AuTiBxnn +GaAs . . . . 267 6.2.1. Структури AuTiBxnn +GaAs. Режими ультразвукової обробки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 6.2.2. Наслiдки ультразвукової обробки структур AuTiBxnn +GaAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269 6.3. Акустовiдпал γiндукованих дефектiв у структурах AuSiO2Si . . 276 Висновки до роздiлу 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 ВИСНОВКИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 ДОДАТКИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361

Список литературы

ВИСНОВКИ У дисертацiї наведено нове вирiшення наукової проблеми, що полягає у встановленнi основних закономiрностей та фiзичних механiзмiв впливу ультразвукового навантаження та опромiнення на процеси проходження струму в напiвпровiдникових поверхневобар’єрних структурах. Основнi результати представленої роботи дозволяють пiдвищити точнiсть прогнозування реальних робочих характеристик напiвпровiдникових дiодiв з p—nпереходом i контактом Шотткi залежно вiд умов їхнього функцiонування, можуть бути використанi при розробцi нового методу динамiчного акустичного керування струмом подiбних систем та полягають у наступному. 1. Вперше експериментально дослiджено вплив ультразвукового навантаження на параметри монокристалiчних кремнiєвих сонячних елементiв у дiапазонi температур 290÷340 К та виявлено оборотну акустоiндуковану деградацiю фотоелектричних властивостей, зумовлену зменшенням часу життя носiїв заряду в акустичному полi. Показано, що в умовах акустичного навантаження збiльшується внесок у рекомбiнацiйнi процеси мiлкiших рiвнiв. Встановлено, що кисневмiснi преципiтати ефективно впливають на процеси рекомбiнацiї та беруть участь у акустодефектнiй взаємодiї. Запропоновано модель акустоактивного комплексного дефекту для пояснення особливостей акустоiндукованих ефектiв. Виявлено ефект акустоiндукованого зменшення опору шунтування та запропоновано його пояснення iз залученням моделi дислокацiйноiндукованого iмпедансу. 2. Вперше дослiджено вплив ультразвукового навантаження на параметри кремнiєвих структур iз p—nпереходом, опромiнених реакторними нейтронами та γквантами 60Co. Виявлено, що в опромiнених структурах, порiвняно з неопромiненими, спостерiгається пiдвищення ефективностi акустоiндукованого зменшення опору шунтування та часу життя неосновних носiїв заряду в базi дiода. З’ясовано, що акустоiндукованi оборотнi змiни фактора неiдеальностi та часу життя носiїв заряду в областi просторового заряду мають 288 рiзний знак в опромiнених та неопромiнених зразках. Встановлено, що в нейтронноопромiнених дiодах основними акустоактивними центрами є дивакансiї, а в γопромiнених — комплекс вакансiї та мiжвузлового кисню Виявлено, що комплекс iз мiжвузлового вуглецю та мiжвузлового кисню не приймає участi в акустодефектнiй взаємодiї. 3. Проведено порiвняльний аналiз та тестування 16 основних методiв визначення параметрiв дiодiв Шотткi iз вольтамперних характеристик. Спираючись на результати тестування методiв на експериментальних та синтезованих ВАХ, запропоновано шляхи оптимiзацiї методiв Nord, Bohlin та Mikhelashvili з метою збiльшення точностi розрахунку. Запропоновано адаптивну процедуру оптимiзацiї вибору дiапазону ВАХ, який використовується для побудови допомiжних функцiй при застосуваннi аналiтичних методiв визначення параметрiв структур метал—напiвпровiдник. Показано, що така процедура дозволяє суттєво (приблизно на порядок при кiмнатних температурах у випадку низького рiвня похибок вимiрювання) пiдвищити точнiсть визначення параметрiв. 4. Встановлено, що найефективнiшими методами з погляду точностi визначення параметрiв та швидкостi розрахункiв є еволюцiйнi алгоритми, метод Gromov iз адаптивною процедурою та метод Lee. Показано, що використання функцiї Ламберта при числовому визначеннi параметрiв дiодiв Шотткi дозволяє зменшити похибки. Розрахованi залежностi точностi визначення послiдовного опору, висоти бар’єру Шотткi та фактора неiдельностi вiд рiвня випадкових помилок при вимiрюваннi вольтамперних характеристик. 5. Виявлено, що перенесення заряду в структурах Al—nn +Si з бар’єром Шотткi у дiапазонi температур 130÷330 К при прямому змiщеннi вiдбувається внаслiдок термоелектронної емiсiї через неоднорiдний контакт. Показано, що при низьких температурах (T < 220 К) суттєвим стає проходження заряду через областi зi зниженим бар’єром i визначено середнє значення висоти бар’єру Шотткi в цих областях. Виявлено, що при зворотному змiщеннi в структурах Al—nn +Si перенесення заряду вiдбувається як внаслiдок термоелектронної емiсiї через неоднорiдний бар’єр, так i завдяки процесам тунелювання через глибокий центр (мiжвузловий атом вуглецю). 289 6. Показано, що опромiнення γ-квантами 60Co структур Al—nn +Si суттєво пiдсилює процеси тунелювання носiїв заряду як при прямому змiщеннi, так i при зворотному. При прямому змiщеннi тунельний механiзм перенесення заряду стає основним у низькотемпературнiй областi (T < 250 К), при зворотному — виникає компонента струму, зумовлена багатофононним тунелюванням. Виявлено, що висота бар’єру, фактор неiдеальностi та величина зворотного струму немонотонно змiнюються при збiльшеннi поглинутої дози. З’ясовано, що при опромiненнi з дозою 106 рад змiна електрофiзичних параметрiв вiдбувається внаслiдок накопичення дефектiв акцепторного типу на межi метал—напiвпровiдник та укрупнення патчiв, викликаного радiацiйно пiдсиленим дислокацiйним ковзанням. При 107 рад причинами змiн властивостей дiодiв Шотткi є iнтенсифiкацiя процесiв тунелювання внаслiдок утворення значної кiлькостi радiацiйних дефектiв та гетерування останнiх в областях зi зниженим бар’єром. Встановлено взаємозв’язок характеру дозової немонотонностi змiни висоти бар’єру Шотткi та ступеню неоднорiдностi контакту. 7. Вперше дослiджено динамiчний вплив ультразвукового навантаження при кiмнатнiй температурi на параметри кремнiєвих дiодiв Шотткi Al—nn +Si. Виявлено оборотнi зменшення висоти бар’єру, збiльшення зворотного струму та струму насичення, тодi як фактор неiдеальностi практично не змiнюється. З’ясовано, що акустичне навантаження не впливає на процеси прямого та багатофононного тунелювання. Встановлено, що вплив ультразвука на термоемiсiйну складову струму структур пояснюється iонiзацiєю дефектiв на межi метал—напiвпровiдник внаслiдок взаємодiї ультразвука з дислокацiями та радiацiйними точковими порушеннями перiодичностi в неопромiнених та опромiнених структурах, вiдповiдно. 8. Вперше експериментально дослiджено динамiчний вплив ультразвукового навантаження в дiапазонi частот 8÷28 МГц на електричнi властивостi структур Mo/nn +Si з бар’єром Шотткi за температур 130÷330 К. Виявлено акустоiндукованi оборотнi змiни фактора неiдеальностi та висоти бар’єру Шотткi, причому змiни немонотонно залежать вiд температури, а найефективнiший вплив ультразвука спостерiгається поблизу 200 K. Показано, що зi збiльшенням частоти ультразвука спостерiгається як загальне пiдвищення ефективностi 290 акустичного впливу на параметри кремнiєвих дiодiв Шотткi, так i зростання температури максимуму ефективностi. Використовуючи модель неоднорiдного контакту встановлено, що при ультразвуковому навантаженнi вiдбувається збiльшення висоти бар’єру як в областi розташування патчiв, так i за їхнiми межами, а також розширюється розподiл параметрiв патчiв та збiльшується їхня ефективна густина. З’ясовано, що механiзм акустоiндукованих змiн параметрiв структур Mo/nn +Si зумовлений рухом дислокацiйних перегинiв. 9. Виявлено ефект оборотного збiльшення зворотного струму структур Mo/nn +Si при акустичному навантаженнi. Встановлено, що ефект послаблюється при збiльшеннi температури та змiщення i посилюється при зростаннi частоти ультразвука. Показано, що основними механiзмами зворотного струму є термоелектронна емiсiя та тунелювання, стимульоване фононами; в умовах поширення акустичних хвиль вiдбувається зменшення енергiї активацiї рiвнiв, що беруть участь у тунелюваннi, густини заповнених iнтерфейсних станiв та коефiцiєнта ПулаФренкеля. 10. Виявлено вплив мiкрохвильового опромiнення на параметри точкових дефектiв у монокристалах n6HSiC, nGaAs та епiтаксiйних структурах на основi арсенiду ґалiю. Встановлено, що причинами радiацiйноiндукованих змiн положення енергетичних рiвнiв пасток та їхнього поперечного перерiзу захоплення електронiв є збiльшення кiлькостi мiжвузлових атомiв у приповерхневому шарi. Показано, що радiацiйноiндукованi процеси перетворення дефектних комплексiв iнтенсифiкуються за наявностi механiчних напруг. 11. Вперше експериментально дослiджено вплив ультразвукової обробки на параметри структури AuTiBxnn +GaAs з контактом Шотткi залежно вiд частоти та iнтенсивностi акустичних хвиль. Встановлено, що при допороговiй (менше 2,5 Вт/см2 ) iнтенсивностi ультразвука вiдбувається збiльшення однорiдностi параметрiв арсенiдґалiєвих дiодiв Шотткi, створених в єдиному технологiчному процесi, зумовлене акустостимульованою дифузiєю дефектiв. 12. Виявлено, що ультразвукова обробка викликає зменшення концентрацiї та звуження енергетичного спектра радiацiйних дефектiв у системи SiSiO2. Показано, що причиною ефекту є акустоiндукована дифузiя атомiв водню та кисню. 291 Автор висловлює подяку завiдувачу кафедри загальної фiзики Київського нацiонального унiверситету iменi Тараса Шевченка, проф. Боровому М. О. за всебiчну пiдтримку дослiджень та надану можливiсть наукового пошуку; проф. Конаковiй Р. В. (Iнститут фiзики напiвпровiдникiв iм. В. Є. Лашкарьова НАНУ) за спрямування частини дослiджень, наданi зразки та позитивне ставлення до отриманих результатiв; всiм спiвавторам за можливiсть спiльної роботи та колективу кафедри загальної фiзики Київського нацiонального унiверситету iменi Тараса Шевченка за всебiчну допомогу при проведеннi експериментальних дослiджень.