Расчет электрических характеристик структур на основе высокоомного GaAs:Cr,Sn Студент 703 группы Суранов Я. С. Руководитель работы – старший преподаватель кафедры ПЭ Вячистая Ю.В. Бакалаврская работа Tомский государственный университет Радиофизический факультет Кафедра полупроводниковой электроники 1

Использование полупроводниковых детекторов 2

Материалы для создания детекторов PbGa 2 Se 4 CdZnTe Si GeGe 3

Преимущества GaAs Высокое удельное сопротивление Большая ширина запрещенной зоны Большой атомный номер Большая площадь Высокая прочность 4

Повышение удельного сопротивления Рисунок 1 – Зонная диаграмма компенсированного полупроводника 5

Способы получения легированного материала Газофазовая эпитаксия (ГФЭ): атомы легирующей примеси вместе с атомами Ga и As выделяются из газообразных соединений на поверхности подложки, образуя легированный слой. Жидкофазная эпитаксия (ЖФЭ): атомы легирующей примеси вместе с атомами Ga и As находятся в расплаве галлия, из которого происходит рост слоя на исходной пластине. Диффузия атомов примесей из твердой фазы: атомы примеси наносятся на поверхность GaAs в виде пленки, откуда диффундируют вглубь слоя материала. 6

Пример ВАХ высокоомной GaAs структуры В высокоомных областях при наличии смещения возникнет ряд факторов, влияющих на вид ВАХ 7

Цель работы: Расчет электрических характеристик структур на основе высокоомного GaAs:Cr,Sn. Задачи: Провести численный расчет вольт-амперных характеристик (ВАХ) и профиля электрического поля слоев GaAs:Sn,Cr с различными профилями легирования примесями хрома и олова. Провести сопоставление рассчитанных ВАХ с экспериментальными характеристиками структур. 8

Исследованные структуры Модель для исследования была выбрана на основе образцов, выращенных в лаборатории материаловедения ОАО НИИПП. Данные образцы представляли собой слои GaAs:Cr,Sn, полученные методом жидкофазной эпитаксии. Рисунок 2 – Строение образцов 9

Характеристики роста исследуемых образцов Таблица 1 – Пример режимов выращивания структур Структура Примесь в подложке, см -3 x(Sn)x(Cr)Темп. начала роста, о С Темп. окончания роста, о С Толщина слоя, мкм ПП ,001150, > ПП ,001150, >

Пример профиля распределения примеси в структуре по результатам численного моделирования 11

Для строгого решения задачи получения ВАХ необходимо решить следующую систему уравнений Следует учесть: перезарядку глубоких примесных центров; возможную рекомбинацию через глубокие примесные центры. 12

Распределение равновесных носителей заряда в высокоомной структуре Для определения равновесной концентрации носителей заряда численно решалось уравнение электронейтральности для всей структуры. 13

Для профилей, где преобладающий тип примеси меняется с донорного на акцепторный, в окрестности их точки пересечения численно решается уравнение Пуассона. Моделирование показывает, что возможно использовать модель плавного p-n перехода, выбирая некоторое эффективное значение градиента концентрации примеси в данной области. Пример возникновения ОПЗ в высокоомном слое 14

Барьерные области на границах с р-i и i-n В р и n областях концентрация примеси постоянна В в/о градиент концентрации а(х)0 Рисунок 3 – Пример распределения потенциальной энергии в ОПЗ p-i перехода 15

Пример зависимости ширины ОПЗ от обратного напряжения 16

ВАХ диффузионного тока 17

Рекомбинационные токи в ОПЗ 18

Генерационные токи в ОПЗ 19

Падение напряжения в высокоомном слое падением напряжения в р и n областях пренебрегаем из-за их низкого сопротивления. 20

Пример расчета ВАХ Рисунок 4 – Примеры прямых синий) и обратных (красный) расчетных ВАХ для образцов ПП-60, ПП-61 21

Прямой ток в случае высокого уровня инжекции и длинной базы Рисунок 5 – Прямые ВАХ: расчетная (красная) и экспериментальная (пунктир) для образца ПП с 22

Итоги Отработана методика численного моделирование ВАХ полупроводниковых структур р – высокоомный эпитаксиальный материал – n структур, учитывающая диффузионные и дрейфовые токи, процессы, возникающие в областях пространственного заряда, падение напряжения в объеме высокоомного слоя. Может быть использована в том числе и в учебном процессе. Показано, что по виду экспериментальных ВАХ возможно оценить некоторые параметры, характеризующие процессы, происходящие в высокоомном материале. Некоторое несоответствие модельных расчетов экспериментальным ВАХ можно объяснить расхождением модельных и реальных распределений концентрации легирующих примесей. 23

Спасибо за внимание Выражаю благодарность: Вячистой Юлии Валерьевне Гермогенову Валерию Петровичу Гаману Василию Ивановичу 24