КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

Оліх Олег Ярославович

УДК 534.29

ДОСЛІДЖЕННЯ АКУСТО-ФОТО-ЕЛЕКТРИЧНОЇ ВЗАЄМОДІЇ В НАПІВПРОВІДНИКОВИХ СТРУКТУРАХ GaAs і Si

01.04.07. – фізика твердого тіла

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ –2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі загальної фізики фізичного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка

Науковий керівник доктор фізико-математичних наук, професор

Островський Ігор Васильович,

Київський національний університет

імені Тараса Шевченка,

завідувач кафедри загальної фізики фізичного факультету

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор

Литовченко Петро Григорович,

Науковий центр “Інститут ядерних досліджень”

НАН України,

завідувач відділом радіаційної фізики;

доктор технічних наук, професор

Конакова Раїса Василівна,

Інститут фізики напівпровідників НАН України,

провідний науковий співробітник.

Провідна установа: Інститут фізики НАН України,

відділ фізики радіаційних процесів

Захист відбудеться “_26_” лютого 2001 р. о 1430 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.001.23 у Київському національному університеті імені Тараса Шевченка за адресою: 03127, Київ-127, проспект Академіка Глушкова, 6, фізичний факультет.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського Національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: 01601, МСП, Київ, вул. Володимирська, 58.

Автореферат розісланий “26” грудня 2000 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор фізико-математичних наук, професор Б.А. Охріменко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На сьогодні, одним з найбільш перспективних та маловивчених напрямів акустоелектроніки залишається фізична акустооптика. Попередні результати вивчення взаємодії активного звуку з дефектами в дислокаційних кристалах типу А2В6, їх фундаментальне та практичне значення можуть бути підставою для проведення широких досліджень впливу ультразвуку на сучасні об’єкти твердотільної мікроелектроніки – епітаксійні та інші низьковимірні структури. Діагностика таких структур за допомогою відомих методів, розроблених в свій час для об’ємних матеріалів, часто неможлива. Особливо це стосується дефектів структури локалізованих на внутрішніх поверхнях поділу, типу підкладка – епітаксійний шар. Актуальність теми зумовлена, зокрема, саме розробкою нового методу, який дозволяє визначити основні параметри таких дефектів; це термо-акусто-електричний метод.

Перспективним для практичного застосування в техніці є дослідження динамічних ефектів впливу ультразвуку на параметри напівпровідникових матеріалів та на фотоелектричні процеси в структурах на їх основі. Це, зокрема, пов’язано з можливостями створення нового класу приладів з керованими за допомогою ультразвукових обробок характеристиками.

Актуальність роботи визначається також вибором матеріалів, які вивчалися: арсенід галію та кремній є основними складовими матеріальної бази сучасної мікроелектроніки та фотоелектрики. Застосування ультразвуку до таких об’єктів є доцільними з декількох причин. З огляду на фундаментальний бік проблеми, роботи в цьому напрямі важливі для розуміння фізичних процесів взаємодії ультразвуку з підсистемою точкових дефектів у бездислокаційних кристалах; водночас, з практичної точки зору, такі дослідження актуальні для застосування ультразвуку в технології виробництва мікроелектронних приладів.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Вибраний напрямок досліджень зв’язаний з планами та програмами досліджень кафедри загальної фізики Київського національного університету імені Тараса Шевченка, зокрема держбюджетної теми "Дослідження фізичних властивостей емісійних явищ в неоднорідних матеріалах" (№97017) і відповідає науковому напрямку "Нові матеріали та речовини".

Мета і задачі дослідження. Метою дисертації ставилось з’ясування природи явища акусто-фото-електричної взаємодії в сучасних матеріалах мікроелектроніки, а саме епітаксійних структурах GaAs та Si; пошук можливостей використання цього явища для діагностики і вимірювання параметрів епітаксійних структур та з’ясування перспективи застосування активного ультразвуку для підвищення фотоелектричних параметрів кремнію і покращення робочих характеристик сонячних елементів на його основі.

Для досягнення поставленої мети вирішувались наступні задачі:

розробка та відпрацювання методики вимірювань параметрів (довжини дифузії неосновних носіїв заряду, вольт-амперної характеристики та ін.) напівпровідникових кристалів кремнію та структур на його основі в умовах контрольованого ультразвукового навантаження

дослідження температурної залежності поперечної акустоелектричної напруги в шаруватій системі п’єзоелектрик-напівпровідник;

дослідження амплітудних, частотних та часових характеристик акустостимульованих фотоелектричних явищ в бездислокаційних кристалах;

вивчення впливу ультразвуку на характеристики фотоелектричного перетворення в шаруватій структурі п’єзоелектрик-напівпровідник;

з’ясування можливих механізмів взаємодії ультразвуку з дефектною системою у бездислокаційних кристалах;

визначення принципової можливості ультразвукового керування параметрами фотоелектричних пристроїв.

Наукова новизна одержаних результатів. Переважна більшість приведених у дисертації результатів є оригінальними та новими. Основними з них є:

Вперше в бездислокаційному монокристалічному кремнії р-типу виявлено ефект збільшення довжини дифузії неосновних носіїв заряду під дією ультразвуку;

Встановлено, що ультразвук стимулює процеси перебудови в підсистемі рекомбінаційних центрів дефектної системи бездислокаційного кремнію; вперше визначено ефективний об’єм акусто-дефектної взаємодії;

Вперше в епітаксійних структурах арсеніду галію, вирощених за допомогою газової епітаксії в системі Ga-AsCl3-H2, визначено час релаксації захопленого заряду, поперечний переріз захоплення електронів та енергетичне положення в забороненій зоні глибоких електронних рівнів, пов’язаних з дефектами структури. Встановлено, що енергетичне положення цих рівнів співпадає з енергетичним положенням електронних центрів EL3, EL5, EL6, EL17, які раніше були зареєстровані в монокристалічному GaAs.

Показано, що ультразвук може бути ефективним інструментом впливу на процеси фотоелектричного перетворення. Вперше показано, що за допомогою ультразвуку в динамічному режимі можна збільшити струм короткого замикання сонячного елементу та впливати на інші його характеристики.

Практичне значення одержаних результатів. Отримані результати можуть знайти своє практичне застосування у галузях мікроелектроніки. А саме, виявлений динамічний вплив ультразвуку на параметри кремнію відкриває можливості створення мікроелектронних приладів з акустокерованими характеристиками; досліджений ефект ультразвукового впливу на процеси фотоелектричного перетворення є перспективним для використання в галузі сонячної енергетики; випробувані акустоелектричні та акустофотоелектричні методики вивчення та контролю дефектів зовнішніх та внутрішніх поверхонь (границь розділу) епітаксійних напівпровідникових структур можуть бути використані для застосування в галузях, пов’язаних з виробництвом та подальшою обробкою таких структур.

Особистий внесок здобувача. Дисертант безпосередньо брав участь в визначенні методів вирішення поставлених задач; він особисто реалізував на практиці експериментальні методики досліджень, виконав повний обсяг експериментів та вимірювань, результати яких було покладено в основу роботи. Автору належить суттєва роль в обробці та інтерпретації результатів, накопичених у результаті проведених досліджень, в теоретичних розрахунках, створенні моделей фізичних процесів та написанні наукових статей.

Апробація результатів дисертації. Основні результати представленої дисертаційної роботи апробовані на 5 міжнародних наукових конференціях: 7th European Conference on Application of Surface and Interface Analysis (Goteborg, Sweden, 1997), XXVII International School on Physics of Semiconducting Compounds Jaszowiec ’98 (Usron-Jaszowiec, Poland, 1998), 11th International Semiconducting and Insulating Materials Conference (Canberra, Australia, 2000), Advanceі in Acousto-Optics 2000 (Bruges, Belgium, 2000), 2000 IEEE International Ultrasonics symposium (San Juan, Puerto Rico, 2000) та обговорювалися на семінарах кафедри загальної фізики Київського національного університету імені Тараса Шевченка (1997-2000 рр).

Публікації. В ході виконання роботи за темою дисертації опубліковано 7 наукових праць, у тому числі 5 статей у фахових журналах, серед них 2 – у міжнародних. Перелік публікацій наведено в кінці автореферату

Об’єм і структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, п’яти розділів, висновків та списку використаних джерел, що містить 194 найменування, в тому числі 7 посилань на авторські роботи. Загальний обсяг роботи складає 172 сторінки і містить 53 ілюстрації на 41 сторінці та 6 таблиць на 4 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі подано загальну характеристику роботи: розкрито сутність та стан наукової проблеми, обгрунтовано необхідність проведення досліджень і відзначено актуальність теми дисертації; сформульована мета роботи; показані новизна отриманих результатів та їх практичне значення; відзначено особистий внесок здобувача.

В першому розділі проведено огляд літератури за темою дисертації. Зокрема, розглянуто як традиційно відомі механізми взаємодії ультразвукових хвиль з твердим тілом, так і відносно нові явища, які пов’язані з акустичним впливом на дефектну структуру напівпровідникових кристалів. Розглянуто відомі акустостимульовані явища: акустолюмінесценція, акустопровідність, акустичний відпал дефектів тощо. Наведено основні практичні результати застосування активного ультразвуку для впливу на параметри напівпровідникових приладів. Відзначається, що до початку даної роботи основний об’єм існуючої наукової інформації про взаємодію звуку з твердим тілом був отриманий, в основному, для дислокаційних об’ємних напівпровідникових (типу А2В6) чи лужногалоїдних кристалів і саме для цих матеріалів різноманітні експериментальні акустостимульовані явища знайшли своє теоретичне обгрунтування і кількісне пояснення. В той же час процеси взаємодії ультразвуку з дефектною структурою у бездислокаційних матеріалах, до яких, наприклад, відноситься кремній, вивчені мало. А враховуючи, що саме кремній та А3В5 сполуки, зокрема арсенід галію, на сьогоднішній день є основними матеріалами мікроелектроніки та фотоелектрики, то для широкого практичного застосування активного звуку вивчення акусто-дефектної взаємодії в даних матеріалах представляє самостійний інтерес.

У зв’язку з цим спеціально зроблено огляд по структурним точковим дефектам в Si та GaAs, які можуть бути ефективними об`єктами ультразвукового впливу і визначати механізми взаємодії ультразвуку з кристалом в цілому. Особливо докладно розглянуті метастабільні та бістабільні дефекти. Відзначено, що в напівпровідниках існує досить багато різноманітних дефектів такого типу. Прикладом можуть бути пари Сі-СSi, Fei-BSi, Fei-AlSi, (Si-O)i в кремнії, центр EL2 в арсеніді галію. В той же час, їх вивчення можливе лише, як правило, за спеціальних умов (низькі температури, радіаційне опромінення тощо). Отже можливості керування станом бістабільних дефектів за допомогою ультразвуку також є цікавою і перспективною задачею.

Також наведено огляд існуючих методів вивчення параметрів дефектів в напівпровідниках. Відзначено, що переважна їх більшість має обмежене застосування для характеризації сучасних низькорозмірних структур.

В окремому підрозділі розглянуто механізми виникнення поперечної акустоелектричної напруги в шаруватій структурі п’єзоелектрик-напівпровідник та зв’язок її кінетики з властивостями дефектів в напівпровідниках.

В другому розділі наведено опис основних експериментальних методик та установок, які застосовувались у роботі. Зокрема, вказано та описано дві основні експериментальні схеми: в одному випадку ультразвук збуджувався в п’єзоелектричній підкладці, на поверхні якої розташовувалась епітаксійна напівпровідникова структура, а в іншому випадку акустичні коливання за допомогою п’єзоелектричних перетворювачів збуджувались безпосередньо в самій напівпровідниковій пластині або структурі. Наведено дані про зразки, які використовувались в дослідженнях та умови експерименту.

Описано метод вимірювання поперечної акустоелектричної напруги та розрахунку параметрів її релаксації. Розглянуто спосіб визначення довжини дифузії неосновних носіїв заряду за допомогою методу поверхневої фотоелектричної напруги, який базується на вивченні спектральної залежності величини напруги від глибини проникнення монохроматичного світла. Наведено метод збудження та визначення параметрів акустичних хвиль в напівпровідникових пластинах.

Зроблено аналіз похибок вимірювань та розрахунків параметрів для всіх експериментальних методик.

Третій розділ присвячений визначенню параметрів глибоких рівнів, пов’язаних з дефектами, розташованими в епітаксійних структурах арсеніду галію. В цих експериментах використовувалась шарувата система п’єзоелектрик-напівпровідник. Відомо, що при розповсюдженні акустичної хвилі в п’єзоелектричній підкладці в напівпровіднику виникає постійна поперечна акустоелектрична напруга (Vae). Однією з причин її появи є те, що п’єзоелектричне поле, проникаючи в напівпровідник, спричинює зміну концентрації носіїв, захоплених на дефектах типу пасток, які знаходяться в приповерхневому шарі. Релаксацію Vae після припинення дії ультразвуку можна описати сумою експоненціальних доданків, кількість яких дорівнює кількості типів дефектів. Характерні часи релаксації фq пов’язані, як відомо, з такими параметрами рівнів, як поперечний переріз захоплення носіїв Sn та енергетичне положення в забороненій зоні (Ec-Et):

(1)

де Nc – густина станів у зоні провідності, T – середня швидкість теплового руху носіїв, k – стала Больцмана, Т – температура.

Якщо врахувати явний вигляд залежностей Sn, T i Nc від температури, то з формули (1) отримуємо

. (2)

Таким чином, за виміряними значеннями фq при відомих температурах можна знайти (Ec-Et).

В роботі наведено теоретичний розгляд особливостей формування поперечної напруги в епітаксійних структурах. Зокрема виявлено, що при накопиченні заряду на дефектах, розташованих на межі поділу між епітаксійним шаром та підкладкою, знак акустоелектричної напруги залежить від співвідношення провідностей епітаксійного шару і підкладки. А саме, коли концентрація носіїв в епітаксійному шарі більша ніж в підкладці, то має спостерігатися додатня напруга, а при протилежному співвідношенні концентрацій – від’ємна. Цей факт знайшов своє експериментальне підтвердження в роботі.

В розділі також наведено результати експериментальних досліджень форми релаксаційної ділянки поперечної напруги при різних температурах. Досліджувалися структури, які складалися з підкладки n-GaAs та нанесеного на її поверхню (методом газової епітаксії в системі Ga-AsCl3-H2) епітаксійного шару також n-типу. Концентрація електронів в підкладці (1018 cм-3)була на три-чотири порядки більша ніж в епітаксійному шарі. Зразки відрізнялися між собою товщиною епітаксійного шару та концентрацією легуючої домішки (телуру).

Аналіз форми релаксаційної ділянки Vae дозволив визначити кількість типів дефектів у зразку та характерні часи релаксації q захопленого на них заряду. З температурної залежності q (рис.1) визначалося енергетичне положення рівнів в забороненій зоні (Ec-Et); а на основі даних про q та (Ec-Et) розраховувалась площа поперечного перерізу захоплення електронів Sn (див. формулу (1)).

В досліджених епітаксійних структурах нами виявлено чотири різних типи дефектів, позначених як Е1, Е2, Е3 та Е4. Визначені для цих рівнів параметри зведено до табл.1. На основі співставлення отриманих даних з літературними даними встановлено, що енергетичне положення рівнів E1-E4 в забороненій зоні співпадає з енергетичним положенням відомих електронних центрів EL17, EL6, EL5, EL3, відповідно, пов’язаних з дефектами (комплекси, які включають вакансію галію) в монокристалічному об’ємному GaAs. В той же час, поперечний переріз захоплення рівнів в епітаксійних структурах менший.

У четвертому розділі наведено результати досліджень впливу ультразвуку на довжину дифузії неосновних носіїв заряду (L) в бездислокаційному кремнії.

В експериментах використовувались зразки, виготовлені з монокристалічних пластин кремнію p-типу, вирощеного за методом Чохральського. Матеріал відносився до типу так званого “сонячного” кремнію. Ультразвукове навантаження зразків здійснювалось в частотному діапазоні 0.5-5.5 МГц, інтенсивність звуку W, введеного в зразок, досягала 4 Вт/см2. Співставлення експериментальних даних з теоретично розрахованими розв’язками рівняння хвиль в пластинах дозволило ідентифікувати тип збуджуваних в дослідах ультразвукових хвиль, а саме в нашому випадку збуджувались хвилі Лемба ао та so мод.

Вихідна (на початку експерименту) довжина дифузії електронів (Lo) в даних зразках складала 15-25 мікрометрів. При розповсюджені в кремнієвій пластині ультразвукових хвиль, L зростала і при максимальних інтенсивностях звуку це збільшення досягало близько 100 відсотків. Сам процес зростання проходив досить повільно, на протязі десятків хвилин. Ефект акустостимульованої зміни L має реверсивний характер, тобто після вимкнення ультразвуку параметри матеріалу за певний час повертаються до свого вихідного значення.

На рис.2 представлена типова залежність зміни довжини дифузії від інтенсивності звуку. Зауважимо, що наведені на рис.2 значення відповідають рівноважним, стабільним з часом для даної W величинам L. Видно, що ефект має, по-перше, пороговий характер (поріг відповідає W~0.5 Вт/см2) і, по-друге, при великих інтенсивностях звуку (>2 Вт/см2) характеризується насиченням. Цікаво, що при однакових значеннях W ефект збільшення L при початкових циклах ультразвукового навантаження (крива ABCD) переважає відповідний ефект при наступних циклах як зростання так і зменшення W (крива AFED). Відновлення початкової залежності (ABCD) спостерігається лише після довготривалого, на протязі 2-3 тижнів, зберігання зразків при кімнатній температурі.

Відомо, що в кремнії при середніх рівнях легування основним механізмом рекомбінації є рекомбінація через глибокі рівні. В рамках моделі Шоклі-Ріда-Хола довжина дифузії визначається формулою

, (3)

де D і T – коефіцієнт дифузії та теплова швидкість електронів, відповідно; Si, Ni – поперечний переріз захоплення та концентрація рекомбінаційних центрів і-го типу, відповідно. Тобто, величина, обернена квадрату довжини дифузії, безпосередньо пов’язана з параметрами центрів і пропорційна добутку (SiNi).

На основі проведених експериментів був визначений характерний час ? зміни L-2 при збудженні звуку в зразку. Встановлено, що чим більша інтенсивність звуку, тим цей час менший. Характерний же час післязвукової релаксації L практично не залежить від W. У загальному вигляді для ? можна записати таке співвідношення:

, (4)

де Ea – енергія активації процесу (наприклад, дифузії атомів), який спричинює зміни в процесі рекомбінації носіїв; us – ефективна механічна напруга в акустичному полі. На основі експериментальних амплітудних залежностей (us) визначено параметр взаємодії акустичної хвилі з рекомбінаційними центрами: =(82)10-27 м-3. відіграє роль ефективного об’єму акусто-дефектної взаємодії.

При аналізі можливих механізмів ультразвукового впливу на довжину дифузії неосновних носіїв заряду в зразках Si враховувалися такі головні експериментальні факти: 1) порівняно низькі вихідні значення Lo (десятки мікрон), які свідчать про велику концентрацію рекомбінаційних центрів (десь 10131014 см-3); 2) довготривалий характер перехідних процесів при ввімкненні та вимкненні ультразвуку (десятки хвилин), що характерно для дифузійного механізму перебудови дефектної структури; 3) зворотній характер амплітудних та часових змін, який говорить про те, що за наявності ультразвуку дефектна система кристалу, перебуваючи в нерівноважному стані, намагається пристосуватися до таких умов, а після зникнення ультразвуку повертається до вихідного стану.

Для пояснення виявленого ефекту пропонується модель бістабільного акустоактивного рекомбінаційного центру. Вона полягає в тому, що дефект, який відповідає за наявність такого центру, може знаходитись в двох стабільних станах (наприклад, А і В), які відрізняються перерізами захоплення носіїв заряду (SA>SB). В рівновазі ймовірність знаходження дефекту в одному з станів (А) більша. При ультразвуковому навантаженні енергетична діаграма дефекту змінюється і ймовірність знаходження в іншому стані (В) зростає. Перехід частини дефектів з одного стану в інший (з А в В) приводить до зменшення темпу рекомбінації та збільшення довжини дифузії неосновних носіїв заряду. Після вимкнення ультразвуку система поступово повертається у вихідне положення.

Такими бістабільними дефектами можуть бути, наприклад, пари легуючої домішки (бору) з міжвузольними атомами важких металів: Сri-BSi, Fei-BSi тощо. Порівняно низькі вихідні значення довжини дифузії, що спостерігались в досліджених зразках, як правило пов’язують саме з наявністю домішок важких металів. Бістабільність подібних пар пов’язана з можливостями іону металу знаходитись як у найближчому, так і в наступному міжвузіллі по відношенню до легуючої домішки. Причому в першому і другому випадках різниця між енергією різних зарядових станів іона металу (Сr2+ i Cr+, Fe2+ і Fe+) різна: в другому положенні ця різниця менша. Акустостимульований перехід дефектного комплексу із стану А в В представляється як дифузія міжвузольного іона металу в полі УЗ хвилі з одного міжвузілля в інше з одночасною зміною співвідношення між кількостями іонів, які перебувають в різних зарядових станах. Зменшення, в середньому, зарядності іона повинно привести до зменшення перерізу захоплення електронів і, відповідно, збільшення L.

В рамках моделі бістабільного акустоактивного дефекту знаходять пояснення як довготривалий (десятки хвилин) характер перехідних процесів, так і зворотність амплітудних та часових змін.

Іншими, альтернативними або доповнюючими механізмами впливу ультразвуку на довжину дифузії неосновних носіїв заряду може бути акустостимульована переорієнтація дефектних диполів, або спричинені звуком зміни в екситонній системі кристалу, які приводять до змін в процесі так званого Оже-екситонного захоплення.

П’ятий розділ містить результати експериментального дослідження динамічного впливу ультразвуку на параметри сонячного кремнієвого елемента (напругу холостого ходу, струм короткого замикання, ефективність перетворення сонячної енергії) та на величину фотоелектричної напруги в шаруватій системі п’єзоелектрик – напівпровідникова епітаксійна структура; розглянуто можливості використання останніх процесів для діагностики та характеризації поверхні епітаксійного зразка.

Виявлено, що при збуджені звуку в сонячному елементі відбувається зменшення його напруги холостого ходу. Як було встановлено, це зменшення зумовлене розігрівом елемента при ультразвуковому навантаженні. У зв’язку з цим були проведені порівняльні дослідження впливу ультразвуку та беззвукового розігріву на інші параметри сонячного елементу, такі як струм короткого замикання, коефіцієнт форми вольт-амперної характеристики та ефективність фотоелектричного перетворення. В результаті цих досліджень зокрема встановлено, що у випадку присутності ультразвуку струм короткого замикання зростає приблизно на 10 відсотків. Це збільшення пояснюється впливом ультразвуку на систему рекомбінаційних центрів кремнію – дане явище розглядалося в четвертому розділі. Тобто, за рахунок акустостимульованого збільшення довжини дифузії неосновних носіїв заряду зростає ефективність фотоелектричного перетворення. Як виявилось, дійсно, в зразках, виготовлених з кремнію, який був вихідним матеріалом для сонячного елементу, також спостерігалось акустостимульоване збільшення L.

При вивченні впливу ультразвуку на фотоелектричну напругу в шаруватій системі використовувались зразки, які складались з епітаксіального шару n-Si, нанесеного на підкладку p-Si. При освітленні такої системи за рахунок існування p-n переходу виникала фотоелектрична напруга.

Виявилось, що при розповсюдженні ультразвукових хвиль в п’єзоелектричній пластині, на якій розміщено напівпровідникову структуру, амплітуда фотоелектричної напруги в напівпровіднику змінюється. Величина і знак зміни залежать від частоти та амплітуди акустичної хвилі. Встановлено, що цей ефект викликаний п’єзоелектричним полем, яке проникає в напівпровідник і впливає на процес поширення фотогенерованих та розподіл вільних носіїв заряду, чим спричинює зміну величини фотоелектричної напруги. Таким чином, показана можливість акустичного керування ефективністю фотоелектричного перетворення в шаруватій системі п’єзоелектрик – напівпровідникова епітаксійна структура.

З метою підвищення чутливості методики фотоелектричної діагностики епітаксійних структур були проведені відповідні досліди з застосуванням ультразвуку. Освітлення епітаксійної кремнієвої структури здійснювалось сфокусованим до 1 мм2 світловим пучком і вивчався розподіл фотоелектричної напруги при освітленні різних частин зразка. Встановлено, що на отриманій картині розподілу фотоелектричної напруги чітко видно області механічних дефектів епітаксійного шару (див. рис.3); можливе виявлення і розділення дефектів розмірами від десятих частин міліметра. При поширенні ультразвуку в п’єзоелектричній підкладці за рахунок збільшення величини фотоелектричного сигналу досягалось підвищення контрасту сигналів, отриманих при освітленні областей зразка з дефектами і без них.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведене нове вирішення наукової задачі вивчення взаємодії ультразвуку зі структурними дефектами бездислокаційних кристалів та створення акустичних методів дослідження епітаксійних напівпровідникових структур і впливу на їх властивості. Задача розв’язана шляхом експериментального вивчення впливу ультразвуку на параметри бездислокаційного кремнію і структур (сонячний елемент) на його основі та експериментального дослідження процесів в шаруватих системах п’єзоелектрик – напівпровідникова епітаксійна структура.

Головними науковими і практичними результатами роботи є наступні:

Вперше, в епітаксійних структурах арсеніду галію, вирощених за допомогою газової епітаксії в системі Ga-AsCl3-H2 визначено характерний час релаксації захопленого заряду, поперечний переріз захоплення електронів та енергетичне положення в забороненій зоні для чотирьох глибоких електронних рівнів. Показано, що термо-акусто-електричний метод є ефективним новим методом для вимірювання параметрів дефектів епітаксійних структур.

Встановлено, що в епітаксійних структурах арсеніду галію існують дефекти, енергетичні рівні яких в забороненій зоні співпадають з дефектами в монокристалічному об’ємному GaAs, а саме з електронними центрами EL3, EL5, EL6, EL17.

Вперше в монокристалічному бездислокаційному кремнії p-типу виявлено ефект динамічного збільшення довжини дифузії неосновних носіїв заряду під дією ультразвуку.

Показано, що ультразвук стимулює процеси перебудови в підсистемі рекомбінаційних центрів дефектної системи монокристалічного бездислокаційного кремнію. Визначено ефективний об’єм акусто-дефектної взаємодії, =(82)10-27 м-3.

Запропоновано модель бістабільного акустоактивного рекомбінаційного центру. Основними фізичними причинами спостережуваної зміни довжини дифузії неосновних носіїв заряду в бездислокаційному кремнії при нормальних умовах можуть бути перегрупування в парах легуючої домішки з міжвузольним атомом металу (Сr-B, Fe-B, Fe-Al) та орієнтаційні перебудови дефектів типу "дефектних диполів", наприклад тих, які містять вакансії кремнію.

Вперше виявлено вплив ультразвуку на процеси фотоелектричного перетворення в шаруватій структурі п’єзоелектрик-напівпровідник. Виявлено, що вплив пов’язаний з дією п’єзоелектричного поля. Показано можливість керування ефективністю фотоелектричного перетворення за допомогою ультразвуку.

Показано, що за допомогою ультразвуку в динамічному режимі можна збільшити струм короткого замикання сонячного елементу. Ефект пов’язаний з впливом акустичних коливань на підсистему рекомбінаційних центрів дефектної системи кремнію.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Островський І.В., Оліх О.Я. Акустоелектрична релаксаційна спектроскопія газофазних епітаксіальних структур GaAs:Te // Вісник Київського ун-ту, Сер.: Фізико-математичні науки. – 1996. – №2. – С. 310-315.

Ostrovskii I.V., Saiko S.V., Olikh O.Ya., Walther H.G. Acousto-electric study of interface trapping defects in GaAs epitaxial structures // Журнал фізичних досліджень. – 1998. – Т. 2, №1. – С.143-149.

Островський І.В., Оліх О.Я. Про можливості керування ефективністю фотоелектричного перетворення в шаруватих структурах п’єзоелектрик-напівпровідник за допомогою ультразвуку // Оптоелектроника и полупроводниковая техника. – 1999. – T. 34. – C.56-60.

Ostrovskii I.V., Olikh O.Ya. Characterization of interface deep levels in as vapor grown epi-GaAs // Solid State Communication. – 1998. – Vol. 107, N 7. – P.341-343.

Островський І.В., Оліх О.Я. Вплив ультразвуку на довжину дифузії неосновних носіїв заряду в кремнії // Вісник Київського ун-ту, Сер.: Фізико-математичні науки. – 2000. – №2. – С. 529-534.

Ostrovskii I.V., Olikh O.Ya. Influence of temperature on transient transverse acoustoelectric voltage // Abst. book. XXVII International School on Physics of Semiconducting Compounds Jaszowiec ’98 – Usron-Jaszowiec (Poland). – 1998. – P.25.

Ostrovskii I., Olikh O., Nadtochii A. Ultrasonic influence on point defects in a dislocation free Si // Abstracts 2000 IEEE International Ultrasonics Symposium and short courses – San Juan (Puerto Rico). – 2000. – P.74-75.

Оліх О.Я. Дослідження акусто-фото-електричної взаємодії в напівпровідникових структурах GaAs і Si. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 – фізика твердого тіла. – Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, 2000.

Дисертація присвячена експериментальному вивченню динамічного впливу ультразвуку на електрофізичні та фотоелектричні параметри кремнію і структур на його основі та використанню ультразвукових методик для вимірювання параметрів епітаксійних напівпровідникових структур. Виявлено ефект збільшення довжини дифузії неосновних носіїв заряду в бездислокаційному монокристалічному кремнії під дією ультразвуку. Визначено ефективний об’єм акусто-дефектної взаємодії. Запропоновано модель бістабільного акустоактивного рекомбінаційного центру. Визначено ряд параметрів електронних рівнів, пов’язаних з комплексами точкових дефектів в епітаксійних структурах арсеніду галію. Встановлено, що за допомогою ультразвуку можна збільшити струм короткого замикання сонячного елементу та впливати на інші його характеристики. Показано, що ультразвук може бути ефективним інструментом впливу на процеси фотоелектричного перетворення.

Ключові слова: ультразвук, комплекс точкових дефектів, епітаксійна структура, бездислокаційний кристал, фотоелектричне перетворення, експериментальне дослідження.

Олих О.Я. Исследование акусто-фото-електрического взаимодействия в полупроводниковых структурах GaAs и Si. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 – физика твердого тела. – Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко, Киев, 2000.

Диссертация посвящена экспериментальному изучению динамического влияния ультразвука на электрофизические и фотоэлектрические параметры кремния и структур на его основе и использованию ультразвуковых методик для измерения параметров дефектов в эпитаксиальных полупроводниковых структурах на базе кремния и арсенида галлия.

Обнаружен эффект увеличения длины диффузии неосновных носителей заряда в бездислокационном монокристалическом кремнии p-типа под действием ультразвука. Максимальное увеличение достигает 100 процентов. При больших интенсивностях звука, больше 2 Вт/см2 эффект характеризуется насыщением. Опираясь на исследованные амплитудные и временные характеристики эффекта, определен эффективный объем акусто-дефектного взаимодействия, г810-27 м3. Физический смысл данного коэффициента – эффективный объем механических напряжений, связанных с дефектом. Для объяснения данного эффекта предложена модель бистабильного акустоактивного рекомбинационного центра, переходящего из одного состояния в другое под действием ультразвука. В роли такого центра может выступать пара точечных дефектов, включающая междоузeльный атом металла, который легко диффундирует по ближайшим междоузeльям, и атом легирующей примеси. Другими, альтернативными или дополняющими, механизмами данного эффекта могут быть акустостимулированная переориентация дефектов типа “дефектный диполь”, например, тех, которые содержат вакансию кремния; или вызванные ультразвуком изменения в процессе так называемого Ожэ-экситонного захвата.

В работе также показано, что при введении ультразвука в солнечный кремниевый элемент, можно увеличить ток короткого замыкания солнечного элемента (приблизительно на 10 процентов). Это происходит благодаря влиянию ультразвука на подсистему рекомбинационных центров дефектной системы кремния и, как следствие, увеличения эффективности фотоэлектрического превращения. Также показано, что под действием ультразвуковой нагрузки изменяются напряжение холостого хода, коэффициент формы вольт-амперной характеристики и эффективность преобразования солнечной энергии.

На основе экспериментального изучения температурной зависимости формы релаксационных участков поперечного акустоэлектрического напряжения в системе пьезоэлектрик – полупроводник определены ряд параметров глубоких электронных уровней. В частности, определены характерное время релаксации захваченного заряда, поперечное сечение захвата электронов и энергетическое положение в запрещенной зоне четырех электронных центров, связанных с дефектами в эпитаксиальных структурах арсенида галлия, выращенных по методу газовой эпитаксии в системе Ga-AsCl3-H2. Установлено, что энергетическое положение этих уровней совпадает с энергетическим положением электронных центров EL3, EL5, EL6 и EL17, которые ранее были зарегистрированы в монокристаллическом GaAs. В тоже время, поперечное сечение захвата электронов в эпитаксиальных структурах и объемном материале отличаются. Показана эффективность применения нового термо-акусто-электического метода для измерения параметров дефектов такого типа структур.

Установлено, что распространение акустической волны в подкладке слоистой системы пьезоэлектрик – полупроводниковая эпитаксиальная структура влияет на величину фотоэлектрического напряжения в полупроводнике. Причиной этого эффекта является влияние пьезоэлектрического поля на распространение фотогенерированных и распределение свободных носителей заряда. Показано, что ультразвук может быть эффективным инструментом влияния на процессы фотоэлектрического превращения в такой системе. По картине распределения фотоэлектрического напряжения, полученной при освещении различных областей эпитаксиальной структуры, можно определить области механических дефектов эпитаксиального слоя размерами от десятых долей миллиметра. Использование ультразвука позволяет увеличить контраст изображения.

Ключевые слова: ультразвук, комплекс точечных дефектов, эпитаксиальная структура, бездислокационный кристалл, фотоэлектрическое превращение, экспериментальное исследование.

Olikh O.Ya. The investigation of acousto-photo-electric interaction in semiconducting structure GaAs and Si. – Manuscript.

Thesis for scientific degree of candidate of physical and mathematical sciences by speciality 01.04.07 – solid state physics. – Kyiv Taras Shevchenko National University, Kyiv, 2000.

The thesis is devoted to experimental research of dynamical ultrasound influence on electro-physical and photo-electrical parameters of silicon and silicon-based structure and to usage of ultrasonic techniques for an epitaxial semiconducting structure characterization. The effect of a minority carrier diffusion length increase in dislocation-free monocrystaline silicon under a ultrasound action has been found. The effective volume of acousto-defective interaction has been evaluated. The model of a bistable acoustoactive recombination center has been proposed. A number of electron levels parameters connected to the complex of point defects in epitaxial GaAs structures are determined. It is shown, that the solar sell short-circuit current may be increased and other solar sell characteristics may be influenced by ultrasound. The ultrasound is shown to be the effective tool for influence on photo-electric transformation processes.

Key words: ultrasound, complex of point defects, epitaxial structure, dislocation-free crystal, photo-electric transformation, experimental research