CC BY
5УДК 621.315
С.В. Булярский, А.В. Жуков, О.А. Трифонов, А.А.Игошина
Влияние термополевых процессов на формирование обратных вольтамперных характеристик ^-«-переходов на основе арсенида галлия
Ульяновский государственный университет; bsv@ulsu.ru; bulyar2954@mail.ru
В работе анализируются механизмы, которые формируют обратную вольтамперную характеристику контактов металл-полупроводник на основе GaAs. Показано, что обратный ток преимущественно обусловлен генерацией, ускоренной электрическим полем через ловушки EL2. Расчеты обратных токов проведены с учетом электрон-фононного взаимодействия. Необходимые для этого параметры вычислены по спектрам поглощения данной ловушки.
Ключевые слова:глубокие уровни, рекомбинация, электрон-фононное взаимодействие, вероятность перехода, сильные электрические поля, вольтамперная характеристика.
Одним из направлений развития СВЧ электроники является использование полевых транзисторов на основе арсенида галлия. Данный материал имеет высокую подвижность электронов, что обеспечивает работу в диапазоне до 10 ГГц [1]. Важной характеристикой таких приборов является ток затвора, который представляет диод Шотт-ки или р-п-переход. В связи с этим важно понимать механизмы переноса носителей заряда, которые данный ток формируют. Однако природа обратных токов, как контактов металл-полупроводник, так и p-n-переходов на основе арсенида галлия, в значительной мере отличается от классической и исследована еще недостаточно.
В настоящей работе изучается влияние электрон-фононного взаимодействия на величину обратных токов р-п-переходов на основе арсенида галлия.
1.Методика эксперимента. Вольтамперные характеристики р-п-переходов на основе ОбАЗ при прямом и обратном смещениях (ВАХ) измерялись на автоматизированном комплексе, созданном на основе приборов, обладающих каналом общего пользования для связи с компьютером. Ток измерялся пикоамперметром KEITHLEY 6485, напряжение - цифровым вольтметром В7-40, оно задавалось управляемым источником питания МОТЕСН. Комплекс прост в изготовлении и наладке, использует типовые измерительные приборы с классом точности не хуже 0,01 (погрешность измерения напряжения вольтметра В7-40 не превосходит 0,03 %). Шаг изменения напряжения прямого смещения 0,02 В. При этом случайные погрешности измерений менее одного процента.
Обратные вольтамперные характеристики приведены на рис. 1. Они демонстрируют очень сильную зависимость обратного тока от приложенного напряжения.
2. Обсуждение полученных результатов. Предполагая, что в положении равновесия скорости рекомбинации электронов и дырок равны, легко получить выражение для обратного тока ( 1обр ) при генерации носителей заряда через центры рекомбинации [2]:
где q - заряд электрона; £ - площадь р-п-перехода; в*пр (x) - скорости термической эмиссии электронов и дырок; сп - коэффициенты захвата электронов и дырок на центры рекомбинации; гп,гр - факторы вырождения уровня глубокого центра для электро-
(1)
нов и дырок (данные факторы изменяются в пределах от 0,5 до 2); Nсу - эффективная плотность состояний в зоне проводимости и валентной зоне; Е( - энергетическое положение центра рекомбинации в запрещенной зоне; Есу - энергии зоны проводимости
и валентной зоны; k - постоянная Больцмана; Т - температура р-п-перехода. Интегрирование проводится по всей области пространственного заряда.
При обратном напряжении смещения в р-и-переходе возникает достаточно сильное электрическое поле, что приводит к ускорению эмиссии. Обнаружено, что скорости термической эмиссии увеличиваются быстрее, чем предсказывает теория Френкеля. Полевую зависимость скорости термической эмиссии необходимо интерпретировать с учетом квантовых эффектов и электрон-фононного взаимодействия, которые играют определяющую роль и не учитываются в теории Френкеля. Эти добавки в электронные переходы рассмотрены Тимашевым в работах [3]. Оказалось, что при высокой напряженности электрического поля вероятность ионизации может сильно возрастать с увеличением поля за счет электронных переходов во внезонное состояние. Такой эффект является тепловым аналогом эффекта Франца-Келдыша в области примесного поглощения. Согласно [2, 3], вероятность эмиссии носителей заряда с глубокого центра еПв сильном электрическом поле может быть представлена выражением
е[ = е[ (0 У){Е0, F ), (2)
где еп(0) - вероятность перехода в классически доступную область зоны проводимости, а величина в(Е0, F ) связана с квантовым эффектом возрастания скоростей термической эмиссии:
еП(р) = еП(р)(0)ехр (^1/2 + vF2), (3)
где у - аналог постоянной Френкеля с учетом электрон-фононного взаимодействия.
Коэффициенты у и V связаны с параметрами глубокого центра следующими соотношениями [2, 3]:
3/2
У = [1 + (E0(, ) - sh o )kT а 2 > (4)
- = 1 + (Еп°(р) - sh а >Та 2 ] ^ 2 ? , (5)
24 т*(р)(кТ ) где Е0п(р) - энергия чисто электронного перехода, о - второй момент форм-функции полосы поглощения, а = л/sh(okT .
Для определения параметров электрон-фононного взаимодействия были использованы результаты измерения коэффициента поглощения ловушкой EL2, приведенные в работе [4]. Алгоритм расчета приведен в работе [2]. Результаты расчета параметров электрон-фононного взаимодействия приведены в табл. 1.
Таблица 1. Параметры электрон-фононного взаимодействия ловушки EL2
S ho Eo
3 0.03 эВ 1.04эВ
Расчет проводился по формуле (1), с учетом (3), (4) и (5). Результаты расчета приведены на рис. 1 сплошными линиями. Данные, необходимые для определения величины напряженности электрического поля, вычислялись по результатам емкостных измерений.
10-'
10-'
1 о
I, A
3 2 1
и-1-1-1-1-1-г
и-1-г
И-1-1-1-1-1-1
10-3 -5
10-4 -
10-6 -5
10-7 -5
2x105 3x105 3x105 4x105 4x105 5x105 5x105 6x105 6x105 7x105
Рис 1. Экспериментальные обратные ВАХ (точки) и модельные кривые (сплошные линии) при температурах: 1 - 333 К, 2 - 323 К, 3 - 313 К, 4 - 303 К, 5 - 295 К,
6 - 230 К, 7 - 170 К, 8 - 77 К
Полученные результаты (рис. 1) свидетельствуют о том, что эксперимент подтверждает теорию. Можно сделать вывод, что мягкий пробой обратных вольтамперных характеристик в большинстве случаев связан с ускорением термической эмиссии в сильных электрических полях. Таким образом, сложные процессы, происходящие при взаимодействии квантовых частиц, позволяют анализировать вольтамперные характеристики микро- и наноэлементов при обратном смещении, фотоэлектрические процессы, оптическое поглощение и излучение, туннелирование и другие процессы.
Литература
1. ShurM. GaAs. Devices and Circuits. - New York: Plenum Press, 1987. - 630 p.
2. Булярский С.В., Грушко Н.С. Генерационно-рекомбинационные процессы в активных элементах. - М.: МГУ, 1997. - 462 с.
3. Тимашев С.Ф. Об эффекте Френкеля при термополевой ионизации глубоких центров в слое объемного заряда в полупроводниках // ФТТ. - 1974. - Т. 16. - С. 804-806.
4. Jimenez J., Alvares A. Photocapacitance studies of the EL2 deep trap in GaAs optical cross section, energy level and concentration // Phys. Rev. - 1989. - V. 39. - P. 8193.
Поступилавредакцию 2 декабря 2013 г.
Formation Processes of volt-ampere characteristic p-n junction of gallium arsenide in strong electric field at high temperature
BulyarskyiS.V., ZhukovA.V., TrifanovO.A., IgoshinaA.A. Ulyanovsk State University; bsv@ulsu.ru; bulyar2954@mail.ru
The paper examines the mechanisms that form the reverse current-voltage characteristic metal-semiconductor contacts on the basis of GaAs. It is shown that the reverse current mainly due to the generation, accelerated by an electric field through the trap EL2. Calculations carried out in the reverse currents with elec-tron-phonon interaction. The required parameters are calculated from the absorption spectra of the trap.
Keywords: deep levels, recombination, electron-phonon interaction, the transition probability, strong electric fields, current-voltage characteristics.
ReceivedDecember 2,2013
