Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследование флуктуационных процессов в ZnO

Сведения об участнике
ФИО
Семенов Андрей Романович
Вуз
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет"
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Новые материалы. Производственные технологии и процессы
Раздел области наук
Материалы для электроники
Тема
Исследование флуктуационных процессов в ZnO
Резюме
На основании анализа опубликованных и полученных автором экспериментальных результатов предложено по форме и результатам модельного анализа кривых с вычислением соответствующих коэффициентов вольт-шумовых характеристик (ВШХ ) полупроводниковых барьерных структур прогнозировать надежность и пороговый уровень параметров полупроводниковых приборов.
Ключевые слова
ZnO, НЧ-шум, диагностика
Цели и задачи
Разработка программы диагностики полупроводниковых структур на основе оксида цинка посредством анализа их электрофизических и флуктуационных характеристик.
Введение

В настоящее время в электронике наибольшее распространение получили такие материалы, как кремний, арсенид галлия. Однако для получения электронных приборов с определёнными свойствами не прекращается поиск новых материалов. Одним из таких материалов является оксид цинка (ZnO). Данный материал является широкозонным полупроводником с высоким коэффициентом пропускания, а также обладает пьезоэлектрическими свойствами. Благодаря достаточной распространённости в земной коре этот материал имеет относительно небольшую стоимость.

Для использования материала в промышленности необходимо изучение влияния технологических режимов формирования на строение полупроводниковых и гетероструктур (Me-ZnO) для анализа и контроля их свойств. 

Методы и материалы

В большинстве случаев для анализа электрофизических свойств полупроводниковых барьерных структур, исследуют их вольт-амперные и вольт-фарадные характеристики. Данные методы исследования не нуждаются в наличии стационарного оборудования и не занимают много времени, в отличие, к примеру, от температурных измерений [1,2]. Однако на текущий момент методы, подразумевающие анализ спектральной плотности мощности НЧ-шума (СПМШ) и, в особенности, вольт-шумовых характеристик (ВШХ) не находят широкого применения. Причиной служит отсутствие единого мнения исследователей о механизмах формирования низкочастотного шума, а следовательно и анализа свойств образца на его основе.

Анализ и сопоставление опубликованных результатов по данной тематике показали (рис. 1,2), что форма ВШХ барьерных структур в большинстве опубликованных работ выглядит идентично: как кривая с резким начальным ростом, переходящая в участок насыщения [3-5]. В работах [1,5] произведено сопоставление СПМШ НЧ шума с параметрами приборов и предложено использовать вольт-шумовые характеристики, для отбраковки потенциально ненадежных приборов. Авторы [5] указали, что зависимость мощности шума от приложенного обратного смещения фотодиодов в диапазоне от 1 до 10 В описывается степенной функцией Iш ~ Uγш.

Установлено что показатель степени γ может являться параметром отбраковки приборов по совокупности значений падения напряжения при прямом включении, напряжения пробоя и обратного тока при комнатной температуре.

Описание и обсуждение результатов

В [3,6] указано, что, начиная с определенного напряжения обратного смещения на барьерном слое, происходит насыщение величины СПМ НЧ-шума. Кроме того, отмечено, что процессы релаксации заряда в высокоомной базе прибора происходили с постоянной времени максвелловской релаксации. Эти результаты, наряду с отмеченными ранее, подтверждают представления об особенностях процессов генерации НЧ-шума в полупроводниковых барьерных структурах, изложенные в [2,7].

В работе [3] проведён анализ зависимости ВШХ детекторов заряженных частиц и рентгеновского излучения на основе Al/i-GaAs от их свойств и сделана попытка аппроксимировать участок кривой функцией вида (рис. 2.).

Наличие точки, в которой происходила смена коэффициента α, объясняется следующим образом. При некоторой напряженности поля создаются условия для генерации с ГУ и дрейфа носителей заряда при условии пересечения глубокого уровня уровнем Ферми в области пространственного заряда барьерной структуры.

Увеличение напряжённости поля приводит к тому, что увеличивается часть активированных с ГУ носителей, пролетевших слой ОПЗ, что в результате приводит к увеличению амплитуды шумовой составляющей обратного тока структуры.

Рис. 1.Зависимость шума от величины тока при вариации напряжения на детекторе.
U, кВ: 1 — 0,55, 2 — 0,76, 3 — 0,94, 4 — 1,2. На вставке — зависимость шума
от напряжения при токе 80 нА [4]

 

Рис. 2 – Зависимости СПМ шума от напряжения смещения для образцов группы №2–кривая 1,
№3 –кривая 2, аппроксимация экспоненциальной зависимостью – прямые 3 [3]

 

Переход к более "пологой" зависимости (меньшему значению α) происходит за счёт исключения одного из компонентов механизма формирования импульсов тока. Высказано предположение, что происходит "насыщение" или "истощение" количества активированных с ГУ носителей заряда, в то время как количество достигших область базы носителей заряда продолжает расти под действием увеличивающейся напряжённости поля.

В данной работе проведена аппроксимация ВШХ диодов Шоттки при обратном смещении двумя функциями вида смещёнными друг относительно друга по оси напряжений, что позволяет связать особенности экспериментальных кривых с параметрами барьерных структур. На рис. 3 приведена аппроксимация кривой 1, изображенной на рис.2, и представлены полученные в среде Mathcad математические соотношения, описывающие эту зависимость.

Рис. 3. – Аппроксимация ВШХ двумя функциями вида : по оси ординат приведено
изменение СПМШ, А2/Гц, по оси абсцисс – напряжение обратного смещения, В

 

В заключение сделаем вывод, что, несмотря на сходство форм ВШХ, полученных экспериментально разными авторами, для их аппроксимации применяются разные функции – степенная либо показательная. Дальнейшее изучение формы ВШХ и проведение анализа кривых с вычислением соответствующих коэффициентов позволит прогнозировать надежность и пороговый уровень параметров полупроводниковых приборов.

Используемые источники
1. Жигальский Г.П., Холомина Т.А. Избыточные шумы и глубокие уровни в детекторах ядерных частиц и ионизирующего излучения на основе GаАs. // Радиотехника и электроника.-2015.- Т. 60.- № 6.- С. 553–581.
2. Холомина Т.А. Физический механизм нестационарной спектроскопии глубоких уровней и генерации низкочастотного шума в барьерных слоях // Изв. вузов. Электроника. 1998. – № 2. – С. 22-26.
3. Кострюков С.А. Автореферат дис. канд физ.-мат наук.- Рязань. РГРГУ. – 2007.- 16 с.
4. Характеристики детекторов ядерного излучения на основе полуизолирующего арсенида галлия / Е.М. Вербицкая, В.К. Еремин, А.М. Иванов и др.// Физика и техника полупроводников. 2004. – Т. 38. – Вып. 4. – С. 490-497.
Information about the project
Surname Name
Semenov Andrey
Project title
Fluctuation processes investigating of ZnO structures
Summary of the project
Based on an analysis of published and obtained by the author experimental results suggested to predict the reliability and threshold parameters of semiconductor devices by the form and results of the model curve analysis along with the calculation of the relevant coefficients of the volt-noise characteristic in semiconductor barrier structures .
Keywords
ZnO, low frequency noise, diagnostic