Физические основы инженерии радиационных дефектов в диодных и МДП структурах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Якименко, Андрей Николаевич

• Якименко, Андрей Николаевич
• кандидат физико-математических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Якименко, Андрей Николаевич

Введение

Оглавление

Глава 1. Обзор литературы.

1.1. Обзор литературы по свойствам поверхностных состояний на границе диэлектрик-полупроводник в МДП структурах.

1.2. Обзор литературы по влиянию условий ионной имплантации на структурные, люминесцентные и электрофизические свойства диодных структур с люминесценцией ионов Ег

Выводы и постановка задачи.

Глава 2. Технология изготовления и экспериментальные методы исследования образцов.

2.1. Технология изготовления МДП структур.

2.2. Технология изготовления диодных структур с люминесценцией ионов Ег3+.

2.3. Экспериментальные методы исследования свойств МДП и диодных структур.'„.

2.4. Разработка метода измерения ВФХ диодных структур с повышенными значениями обратного тока р-п перехода и сопротивления базы.

Выводы к главе 2.

Глава 3. Исследование влияния у-облучения на генерационно-рекомбинационные свойства МДП структур.,.

3.1. Влияние у-облучения на генерационно-рекомбинационные свойства МДП структур.

3.2. Влияние флуктуаций встроенного заряда на скорость генерации-рекомбинации носителей заряда в МДП структуре через поверхностные состояния.

3.3. Влияние квазинепрерывного распределения поверхностных состояний на скорость генерации-рекомбинации носителей заряда в МДП структуре. через непрерывные состояния в ООЗ полупроводника.

Выводы к главе 3.

Глава 4. Влияние дозы имплантации ионов эрбия и ориентации подложки на электрофизические свойства светоизлучающих Si:(Er,0) структур.

4.1. Электрофизические свойства n-Si:(Er,0) структур с (100) ориентацией поверхности.

4.2. Влияние ориентации подложки на образование структурных дефектов и оптически активных центров после отжига слоев Si, аморфизованных имплантацией ионов Ег и О.

4.3. Электрофизические свойства n-Si:(Er,0) структур с (111) ориентацией поверхности при аморфизующих дозах имплантации ионов Ег.

4.4. Особенности, возникающие в свойствах n-Si:(Er,0) (111) структур при предельно высоких дозах имплантации ионов Ег.

Выводы к главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Физические основы инженерии радиационных дефектов в диодных и МДП структурах»

Практически во всех областях науки и техники используются приборы твердотельной электроники. Сфера применения твердотельных приборов постоянно расширяется, создаются принципиально новые приборы, инициирующие развитие промышленности в новых направлениях.

Управление свойствами твердотельных приборов обычно осуществляется посредством создания дефектов с необходимыми свойствами [1, 2]. Одним из видов создания таких дефектов является радиационное облучение [3]. Несмотря на то, что облучение может вносить в материал дефекты, которые могут ухудшить некоторые параметры материалов и приборов, интенсивно развивается научное направление — инженерия радиационных дефектов в технологии кремниевых приборов, позволяющее целенаправленно улучшать параметры облучаемых приборов.

Основным материалом современной твердотельной электроники является кремний. В силу уникальных свойств, как самого полупроводника, так и границы раздела 81-8102, кремний в обозримом будущем будет оставаться основным материалом твердотельной электроники. На сегодняшний день важной практической задачей является создание оптоэлектронных приборов на основе кремниевого материала. В частности, необходимо улучшить параметры выпускаемых фотоприёмных устройств и создать эффективные светоизлучающие приборы на основе кремния [4].

1. Анализ тенденций развития микроэлектроники указывает на то, что в будущем основную массу производимых микросхем будут составлять цифровые логические интегральные микросхемы, содержащие в качестве базового элемента МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) транзистор [5]. В устройствах обработки цифровых и аналоговых сигналов уже сейчас широко применяются приборы с зарядовой связью (ПЗС), а в качестве твердотельных фотоприемных устройств фоточувствительные ПЗС, работа которых также основана на базе МДП структур [6]. Однако, с повышением степени интеграции микросхем, при создании больших и сверхбольших интегральных микросхем всё большее влияние на работу приборов оказывает поверхность. Это вызвало необходимость более углубленного изучения дефектов около границы полупроводник-диэлектрик и выяснения их вклада в изменение параметров изготавливаемых приборов [7,8]. 2. Считалось, что создание эффективных светоизлучающих структур на основе кремния невозможно, поскольку он является непрямозонным полупроводником. В [9 - 11] было предложено легировать кремний атомами редкоземельного элемента эрбия. Основное внимание привлекает переход во внутренней № оболочке ионов Ег3+ из первого возбужденного 41п/2 в основное состояние 41]5/2- Так как внутренняя оболочка экранирована внешними электронами, в этом переходе возникает узкая температурно-независимая линия люминесценции на длине волны ~1.54 мкм. Эта линия интересна тем, что, с одной стороны энергия излучаемого фотона меньше ширины запрещенной зоны в кремнии (-1.12 эВ) и такое излучение в кремнии слабо поглощается, с другой стороны, длина волны соответствует "окну прозрачности" оптоволоконных линий передач. Светоизлучающие приборы на основе кремния, легированного эрбием могут использоваться в средствах оптоволоконной связи, а также дают возможность создания светоизлучающего кремниевого прибора, совместимого с технологией изготовления интегральных микросхем. Проблема заключается в том, что степень электрической и оптической активации ионов Ег относительно невелика (~10%), что обуславливает малый квантовый выход светодиодов на основе кремния легированного эрбием (81:Ег), Кроме того, в режиме инжекции р-п перехода наблюдается эффект температурного гашения электролюминесценции. Одним из основных методов введения Ег в 81, позволяющих получить светоизлучающие (БпЕг) структуры, в настоящее время является ионная имплантация, однако имплантация тяжёлыми ионами приводит к созданию структурных дефектов, являющихся центрами безызлучательной рекомбинации.

Таким образом, как в случае кремниевых фотоприемных устройств, так и в случае кремниевых светоизлучающих структур, необходимо получение сведений о физических свойствах создаваемых дефектов в материале, для создания с помощью инженерии радиационных дефектов приборов с прогнозируемыми и контролируемыми характеристиками.

Цель и задачи работы. Целью настоящей работы являлось развитие физических основ инженерии радиационных дефектов в диодных и МДП структурах, позволяющей изготавливать приборы с улучшенными параметрами.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1) Исследовать влияние у-облучения на электрофизические параметры МДП структур и найти условия, позволяющие улучшить эти параметры;

2) Исследовать влияние условий ионной имплантации на электрофизические параметры светоизлучающих диодных структур, для увеличения интенсивности электролюминесценции ионов Ег3+ при комнатной температуре.

Научная новизна полученных в диссертации результатов состоит в следующем:

1. Впервые наблюдался эффект увеличения эффективного генерационного времени жизни тёЭфф и уменьшения скорости поверхностной генерации б носителей заряда в кремниевых МДП структурах при их облучении у-квантами от источника 60Со;

2. Предложена модель генерации носителей заряда в МДП-структуре через поверхностные состояния с учетом флуктуаций встроенного заряда и туннельно-активационного транспорта носителей, объясняющая аномальный ход зависимостей тёЭфф и б от дозы облучения;

3. В рамках данной модели получил объяснение значительный разброс тёэфф и б, наблюдающийся у МДП структур, изготовленных в едином технологическом цикле на одной пластине;

4. Показано, что с увеличением дозы облучения, а также в МДП структурах с высоким значением плотности поверхностных состояний на границе раздела диэлектрик-полупроводник транспорт носителей заряда при генерации меняется от туннельно-активационного к прыжковому, при этом значительно возрастает роль латеральной области МДП-структуры при переносе заряда;

5. Впервые, с помощью ионной имплантации ионов Ег в монокристаллический кремний, получены светоизлучающие диоды, у которых наблюдался эффект "температурного возгорания" электролюминесценции ионов Ег3+;

6. Установлено, что в светоизлучающих диодах, полученных с помощью ионной имплантации ионов Ег и О в монокристаллический кремний с ориентацией <111>, за эффект "температурного возгорания" электролюминесценции ионов Ег3+ отвечают дефекты, образующие энергетические уровни в нижней половине запрещенной зоны кремния;

7. При исследовании диодов с дозами имплантации Ег >3-1014см"2 обнаружено, что в некотором температурном диапазоне ёмкость обратно смещённого диода может возрастать с ростом напряжения.

Практическая ценность работы заключается в том, что в ней:

1. Разработана технология изготовления, и изготовлены ПЗС с малыми генерационными токами и большими временами хранения заряда при комнатной температуре (способ защищен авторским свидетельством);

2. Выявлены физические механизмы, определяющие времена хранения заряда в ПЗС и их разброс по площади ПЗС матрицы;

3. Разработаны способы повышения однородности распределения времен хранения заряда и темновых токов по площади ПЗС матрицы, не ухудшающие остальных параметров МДП приборов;

4. Разработана технология изготовления и изготовлены светодиодные структуры на основе монокристаллического 8кЕг, в которых наблюдается температурное возгорание интенсивности электролюминесценции ионов Ег3+;

5. Разработана методика ёмкостного исследования диодных структур, при условии, что измеряемая ёмкость не может быть представлена двух элементной схемой замещения, реализованной в промышленных измерителях ёмкости.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Облучение у-квантами от источника 60Со МДП структуры на основе п-81 в режиме обогащения с дозами <105 рад позволяет уменьшить скорость поверхностной генерации и увеличить эффективное генерационное время жизни носителей заряда.

2. Уменьшение скорости поверхностной генерации и увеличение эффективного генерационного времени жизни носителей заряда обусловлено подавлением наиболее эффективных центров поверхностной генерации при у-облучении МДП структуры в режиме обогащения.

3. Имплантация ионов эрбия и кислорода с аморфизующей дозой в п-81(111) и последующая твердофазная эпитаксиальная перекристаллизация аморфизованного слоя сопровождаются образованием расположенных в нижней половине запрещенной зоны кремния глубоких уровней с концентрацией, превышающей концентрацию мелких уровней. Перезарядка этих уровней в области объемного заряда р+-п перехода в режиме лавинного пробоя ответственна за температурное возгорание интенсивности линии электролюминесценции ионов Ег3+ в некотором температурном диапазоне.

4. Увеличение емкости р-п перехода при увеличении обратного напряжения в некотором температурном диапазоне, наблюдаемое в обратно смещённом р+-п переходе, п-база которого сформирована с использованием имплантации ионов эрбия с дозой >9-1014 см"2 в п-81(111) и последующей твердофазной эпитаксиальной перекристаллизации, обусловлено образованием глубоких уровней в запрещённой зоне кремния с высокой концентрацией.

5. Концентрация носителей заряда в базе р+-п перехода с повышенными значениями обратного тока и сопротивления базы может быть определена с помощью измерителя импеданса, используя значения емкости и проводимости, измеренные при обратном смещении перехода, и номограмм, построенных на основе эталонных магазинов емкостей и проводимостей.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались на научно-техническом семинаре "Радиационная технология в производстве интегральных схем" (Воронеж, 1988), научно-техническом семинаре "Вопросы метрики полупроводников и диэлектриков" (Киев, 1988), совещании-семинаре "Аморфные полупроводники и диэлектрики на основе кремния в электронике" (Одесса, 1989), XI научно-технической конференции "Новые принципы формирования телевизионных изображений" (Ленинград, 1990), научно-технической конференции "Фундаментальные исследования в технических университетах" (Санкт-Петербург, 1997), VII межнациональном совещании "Радиационная физика твердого тела" (Севастополь, 1997), Всероссийском совещании "Наноструктуры на основе кремния и германия" (Н.Новгород, 1998), совещании "Нанофотоника" (Нижний Новгород, 1999), совещании "Нанофотоника" (Нижний Новгород, 2000), V Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы "Фундаментальные исследования в технических университетах" (Санкт-Петербург, 2001), международном симпозиуме "Фото- и электролюминесценция редкоземельных элементов в полупроводниках и диэлектриках" (Санкт-Петербург, 2001), IX Международной конференции и VIII Школе молодых ученых и специалистов по актуальным проблемам физики, материаловедения, технологии и диагностики кремния, наноразмерных структур и приборов на его основе "КРЕМНИИ-2012" (Санкт-Петербург, 2012), а также на научных семинарах ОАО «ЦНИИ «Электрон» (Санкт-Петербург), Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН.

Публикации.

По результатам диссертации опубликовано: 23 печатные работы, из них 12 в российских и зарубежных реферируемых журналах по списку ВАК, 1 авторское свидетельство СССР на изобретение.

Список публикаций автора по теме работы. *

1. Бузлюдный C.B. Влияние у-облучения на генерацию носителей заряда в МДП структурах на основе кремния [Текст] / Безлюдный C.B., Колесников Н.В., Санин К.В. , Суриков И.Н., Хансеваров Р.Ю., Якименко А.Н. // Физика и техника полупроводников. - 1989 т.23. -в.10. - с.1888-1890.

2. Безлюдный C.B. Механизм генерации заряда в МДП структуре [Текст] / Безлюдный C.B., Карпов В.Г., Колесников Н.В., Якименко А.Н. // Физика и техника полупроводников. - 1989. - т.23. - в.11. - с.2013-2018.

3. Безлюдный C.B. Генерация носителей заряда через поверхностные состояния на границе диэлектрик-полупроводник [Текст] / Безлюдный C.B., Карпов В.Г., Колесников Н.В., Якименко А.Н // Тезисы докладов совещания-семинара "Аморфные полупроводники и диэлектрики на основе кремния в электронике". - Одесса, 5-9 июня 1989. - с.23.

4. Безлюдный C.B. Авторское свидетельство СССР на изобретение № 1554669 по заявке № 4301043 от 20 июля 1987 г., зарегистрировано 1 декабря 1989 г. Способ изготовления приборов с переносом заряда на основе МНОП структур [Текст] / Безлюдный C.B., Колесников Н.В., Патракеев С.П., Санин К.В. , Суриков И.Н., Хансеваров Р.Ю., Якименко А.Н.

5. Якименко А.Н. Механизм генерации заряда в МДП структурах [Текст] / Якименко А.Н. // Физика и техника полупроводников. - 1991. - т.25. -в.11.-с.958-961.

6. Колесников Н.В. Исследование концентрации локальных уровней и поверхностных состояний в у-облученных МДП структурах [Текст] /Колесников Н.В., Мальханов С.Е., Якименко А.Н. // Физика и техника полупроводников. - 1996. - т.30. - в.9. - с.1691-1694

7. Мальханов С.Е. Соотношение концентрации поверхностных состояний и радиационных дефёктов в гамма-облученных МДП структурах [Текст] / Мальханов С.Е., Якименко А.Н. // Материалы научно-технической конференции "Фундаментальные исследования в технических университетах". - Санкт-Петербург, 16-17 июня 1997 г. -с.237-238.

8. Емельянов A.M. Влияние у-облучения на фотолюминесценцию кремния в структурах Si-Si02 [Текст] / Емельянов A.M., Якименко А.Н. //

Материалы VII межнационального совещания "Радиационная физика твердого тела". - Севастополь, 30 июня - 5 июля 1997 г. - с.56.

9. Emel'yanov A.M. Anomalous temperature dependence of erbium-related electroluminescence in reverse biased silicon p-n junction [Text] / Emel'yanov A.M., Sobolev N.A., Yakimenko A.N. // Applied Physics Letters. - 1998. - V. 72. - No. 10. - p.1223-1225.

10. Соболев H.A. Светоизлучающие диодные структуры на основе монокристаллического Si:Er:0, работающие при комнатной температуре [Текст] / Соболев H.A., Николаев Ю.А., Емельянов A.M., Штельмах К.Ф., Якименко А.Н., Тришенков М.А., Хакуашев П.Е., Маковийчук М.И., Паршин Е.О. // Материалы Всероссийского совещания "Наноструктуры на основе кремния и германия". -Н.Новгород, 10-13 марта 1998 г. - с.89-92.

11. Соболев H.A. Светоизлучающие диодные структуры на основе монокристаллического кремния, легированного эрбием и кислородом, работающие при комнатной температуре [Текст] / Соболев H.A., Николаев Ю.А., Емельянов A.M., Штельмах К.Ф., Якименко А.Н., Тришенков М.А., Хакуашев П.Е., Маковийчук М.И., Паршин Е.О. // Известия Академии наук. Серия физическая. - 1999. - т. 63. - № 2. - с. 388-391.

12. Соболев H.A. Светоизлучающие структуры монокристаллического кремния, легированного редкоземельными элементами: структурные, электрические и оптические свойства [Текст] / Соболев H.A., Емельянов A.M., Р.Н.Кютт, Николаев Ю.А., Шек Е.И., Александров О.В., Захарьин А.О., Вдовин В.Н., Маковийчук М.И., Паршин Е.О., Якименко А.Н. // Материалы совещания '.'Нанофотоника". - Н.Новгород, 15-18 марта 1999 г. - с.71-76.

13. Соболев H.A. Возбуждение эрбиевой электролюминисценции горячими носителями при пробое р-n перехода и свойства Si:Er светоизлучающих структур [Текст] / Соболев H.A., Емельянов A.M., Николаев Ю.А.,

Вдовин В.Н., Якименко А.Н. // Материалы совещания "Нанофотоника". - Н.Новгород, 15-18 марта 1999 г. - с. 191-195.

14. Соболев H.A. Светоизлучающие структуры монокристаллического кремния, легированного эрбием, гольмием и иттербием: структурные, электрические и оптические свойства [Текст] / H.A. Соболев, A.M. Емельянов, Р.Н. Кютт, Ю.А. Николаев, О.В. Александров, А.О. Захарьин, В.И. Вдовин, М.И. Маковийчук, Е.О. Паршин, А.Н. Якименко // Известия Академии Наук. Серия Физическая. - 2000. -Т.64. - N2. - с.258-263.

15. Соболев H.A. Электролюминесценция ионов эрбия при пробое р-п перехода и свойства светоизлучающих структур Sí:Er:0 [Текст] / H.A. Соболев, A.M. Емельянов, Ю.А. Николаев, В.И. Вдовин, А.Н. Якименко // Известия Академии Наук . Серия Физическая. - 2000. -Т.64. - N2. - с.348-352.

16. Соболев H.A. Кинетика электролюминесценции ионов эрбия в туннельных светодиодах на основе (111) Si [Текст] / H.A. Соболев, A.M. Емельянов, А.Н. Якименко // Материалы Совещания "Нанофотоника". - Нижний Новгород, 20-23 марта 2000 г. - Институт физики микроструктур РАН. - с. 177-180.

17. Sobolev N.A. Infrared photoluminescence from holmium ions in single-crystal silicon and holmium oxide [Text] / N.A. Sobolev, A.M. EmePyanov, Yu.N. Filin, B.T. Melekh, Yu.A. Nikolaev, A.N. Yakimenko // Semicond. Sei. Technol. - 2000. - v.15 - p.511-513.

18. Соболев H.A. Кинетика электролюминесценции ионов эрбия в туннельных светодиодах на основе монокристаллического кремния с (111) ориентацией поверхности [Текст] / Н.А.Соболев, А.М.Емельянов, А.Н.Якименко // Известия Академии Наук. сер. Физическая. - 2001. -Т.65, N2. - с.286-289.

19. Соболев H.A. Вольт-фарадные характеристики р-п -структур на основе (111) Si, легированного эрбием и кислородом [Текст] / Н.А.Соболев,

А.М.Емельянов, А.Н.Якименко // Физика и техника полупроводников. - 2001. - Т.35. - N3. - с.330-334.

20. Емельянов A.M. Влияние плотности поверхностных состояний на фотолюминесценцию Si в структурах SÍ-SÍO2 [Текст] / A.M. Емельянов, А.Н. Якименко // Материалы V Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы "Фундаментальные исследования в технических университетах". - Санкт-Петербург, 8-9 июня 2001 г. -с.119.

21. Емельянов A.M. Вольт-фарадные характеристики светоизлучающих диодных структур на основе кремния, легированного редкоземельными элементами. [Текст] / A.M. Емельянов, А.Н. Якименко // Сборник трудов международного симпозиума "Фото- и электролюминесценция редкоземельных элементов в полупроводниках и диэлектриках". -Санкт-Петербург, 23-24 октября 2001 г. - с.43.

22. Емельянов A.M. Емкостные измерения диодных структур при больших обратных токах с учетом сопротивления подложки [Текст] / A.M. Емельянов, А.Н. Якименко // Научно-технические ведомости СПбГТУ. -N4(26). - с.111-115.

23. Якименко А.Н. Исследование глубоких уровней в кремнии, легированным эрбием [Текст] / Якименко А.Н., Соболев H.A., Шек Е.И. // Тезисы докладов IX Международной конференции и VIII Школы молодых ученых и специалистов по актуальным проблемам физики, материаловедения, технологии и диагностики кремния, наноразмерных структур и приборов на его основе "КРЕМНИЙ-2012". - Санкт-Петербург, 10-13 июля 2012 г. - с. 183.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав,

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Якименко, Андрей Николаевич

Выводы к главе 4

1. Наибольшая эффективность возбуждения интенсивности ЭЛ ионов Ег при комнатной температуре достигается в ТФЭ (111) Si:(Er,0) СД в режиме лавинного пробоя р-п перехода.

2. С помощью ионной имплантации ионов Ег в кристаллический кремний с ориентацией <111>, получены светоизлучающие диоды на основе Si:Er, обладающие участком "температурного возгорания" электролюминесценции.

3. Температурное возгорание интенсивности ЭЛ ионов

Ег3+ в режиме пробоя р-n переходов в Si:(Er,0) СД, приготовленных методом твердофазной эпитаксии на подложках с (111) ориентацией, обусловлено перезарядкой центров с глубокими уровнями, образующихся в нижней половине запрещенной зоны и характеризующихся сечением захвата дырок большим, чем электронов.

4. При исследовании диодов с дозами имплантации Ег > 3-1014 см"2 обнаружено, что в некотором температурном диапазоне ёмкость обратно смещённого диода может возрастать с ростом напряжения. Рост емкости (уменьшение ширины области пространственного заряда) связывается с образованием в п-слое р-n перехода высокой плотности глубоких уровней в запрещенной зоне Si и освобождением их от электронов в области пространственного заряда при увеличении напряжения. Экспериментальные результаты указывают на то, что параметры дефектов, ответственных за появление уровней, зависят от дозы имплантации эрбия и кислорода. ч

Заключение.

1. Обнаружено, что в кремниевых МДП-структурах, после их облучении у-квантами от источника 60Со дозами < 105 рад генерационные времена жизни тё возрастают, а скорость поверхностной генерации уменьшается с увеличением дозы облучения.

2. Данный экспериментальный факт объяснён с позиции туннельно-активационного механизма генерации носителей заряда в МДП-структуре через поверхностные состояния с учетом флуктуаций встроенного заряда в диэлектрике. При облучении наиболее эффективные каналы генерации исчезают за счет затягивания в область повышенного электрического поля носителей заряда, возникающих во время облучения.

3. В рамках данной модели получили объяснение наблюдающийся в МДП структурах, выполненных в едином технологическом цикле, значительный разброс тё и между структурами.

4. С помощью ионной имплантации ионов Ег в кристаллический кремний с ориентацией <111>, получены светоизлучающие диоды на основе 81:Ег, обладающие участком "температурного возгорания" электролюминесценции.

5. Показано, что в светоизлучающих диодах на основе ЭкЕг, полученных ионной имплантацией ионов Ег в кристаллический кремний с ориентацией <111>, важную роль играют центры, имеющие уровни энергии в нижней половине запрещенной зоны кремния.

6. При исследовании диодов с дозами имплантации Ег > 3-1014 см"2 обнаружено, что в некотором температурном диапазоне ёмкость обратно смещённого диода может возрастать с ростом напряжения. Это может быть связано с высокой плотностью глубоких уровней в запрещённой зоне и их перезарядкой при увеличении напряжения.

7. Разработана методика определения ёмкости обратно смещённого диода, при больших утечках и с учётом сопротивления подложки, что позволяет корректно использовать емкостные методики на подобных образцах.

Автор выражает особую признательность профессору Санкт-Петербургского государственного политехнического университета Нилу Васильевичу Колесникову, под руководством которого началась научная и педагогическая деятельность автора. Нил Васильевич привил склонность к самостоятельной научной работе, уверенность в собственных силах и высокую ответственность за каждый получаемый результат физического эксперимента и тщательный анализ этих результатов.

Автор искренне благодарен научному руководителю ведущему научному сотруднику Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН Николаю Алексеевичу Соболеву за выбор исключительно интересной темы диссертации, по сути, созданию нового класса кремниевых полупроводниковых приборов, а также за всестороннюю помощь в работе.

Автор искренне признателен профессорам кафедры экспериментальной физики СПбГПУ Вадиму Константиновичу Иванову и Виталию Васильевичу Козловскому за постоянную поддержку и помощь в работе над диссертацией.

Искренняя благодарность старшему научному сотруднику ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН Алексею Митрофановичу Емельянову за плодотворное сотрудничество, продуктивное обсуждение результатов данной работы и полезные советы, а также за постоянную поддержку.

Диссертант благодарит сотрудников лаборатории физики полупроводниковых приборов ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН и кафедры экспериментальной физики СПбГПУ за помощь в работе.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Якименко, Андрей Николаевич, 2012 год

1. М.Г. Мильвидский, В.Б. Освенский. Структурные дефекты в монокристаллах полупроводников // М.: Металлургия, 255с. (1984).

2. К. Рейви. Дефекты и примеси в полупроводниковом кремнии // М.: Мир, 475с. (1984). Пер. с англ. под ред. С.Н. Горина.3. . Радиационные эффекты в полупроводниках. Под ред. JI.C. Смирнова. //Новосибирск: Наука, 181с. (1983).

3. Коняев В.М Телевизионные датчики изображения в радиационных полях Текст. // Коняев В.М., Красовский С.С., Суриков И.Н., Флеров В.И. // Рига. Знатне. 157 с. 1989.

4. МОП-СБИС. Моделирование элементов и технологических процессов. Под ред. П. Антонетти, Д. Антониадиса, Р. Даттона, У. Оулдхейма. // М.: Радио и связь, 496с. (1988). Пер. с англ. под ред. P.A. Суриса.

5. Приборы с зарядовой связью. Под ред. Д.Ф. Барбе // Москва: Мир, 240 с. (1982).

6. Вавилов B.C., Киселёв В.Ф., Мукашев Б.Н. Дефекты в кремнии и на его поверхности. -М.: Наука, 1990, 216 с.

7. Першенков B.C., Попов В.Д., Шальнов A.B. Поверхностные радиационные эффекты в элементах интегральных схем.-М.: Энергоатомиздат, 1998, 256 с.

8. F. Y. G. Rena, J. Michela, Q. Sun-Paduanoa, В. Zhenga, H. Kitagawaa, D.C. Jacobsona, J.M. Poatea and L. C. Kimerlinga. Ic Compatible Processing of Si:Er for optoelectronics. MRS Symp. Proceedings, Vol. 30, p. 87-96(1993).

9. Гуртов B.A. Твердотельная электроника: Учеб. пособие 3-е изд. дополн. // В.А. Гуртов;Москва: Техносфера, 2008. 512 с.

10. Гуртов В.А. Основы физики структур металл диэлектрик -полупроводник /В.А. Гуртов. Петрозаводск. 1983. 92 с

11. Гуртов В.А. Электронные процессы в структурах металл -диэлектрик полупроводник // В.А. Гуртов. Петрозаводск. 1984. 116 с.

12. Sah С.-Т. Fundamentals of solid-state electronics solution manual /С. T. Sah., World Scientific, 1996. 201 p.

13. H. Ennen, J. Schneider, G. Pomrenke, A. Axmann. 1.54-jjm luminescence of erbium-implanted III-V semiconductors and silicon // Appl. Phys. Lett., v.43, p.943-945 (1983).

14. H. Ennen, G. Pomrenke, A. Axmann, K. Eisele, W. Haudl, J. Schneider. 1.54-цт electroluminescence of erbium-doped silicon grown by molecular beam epitaxial // Appl. Phys. Lett., v.46, No.4, 381-383 (1985).

15. B. Zheng, J. Michel, F.Y.G. Ren, L.C. Kimerling, D.C. Jacobson, J. M. Poate. Room-temperature sharp line electroluminescence at X = 1.54 \im from an erbium-doped, silicon light-emitting diode // Appl. Phys. Lett., v.64, No.21, p.2842-2844 (1994).

16. H.A. Соболев. Светоизлучающие структуры Si:Er: Технология и физические свойства (обзор) // ФТП, т.29, в.7, с. 1153-1177 (1995).

17. N.A. Sobolev. Silicon Doping by Erbium to Create Light-Emitting Structures // Microelectronics Journal, v.26, No.7, p.725-735 (1995).

18. A. Polman. Erbium implanted thin film photonic materials // J. Appl. Phys., v.82, No.l, p.1-39 (1997).

19. J. Michel, L.V. Assali, M.T. Morse, L.C. Kimerling. Erbium in Silicon // Semiconductors and Semimetals, v.49, p.l 11-156 (1997).

20. S. Coffa, G. Franzo, F. Priolo. Light emission from Er-doped Si: materials, properties, mechanisms and device performance // MRS Bulletin, v.23, p.25-32 (1998).

21. A.J. Kenyon. Erbium in silicon // Semicond Sci. Techn., v.20, p.R65-R84 (2005).

22. Y.H. Xie, E.A. Fitzgerald, Y.J. Mii. Evaluation of erbium-doped silicon for optoelectronic applications // J. Appl. Phys., v.70, No. 6, p.3223-3228 (1991).

23. J. Michel, J.L. Benton, R.F. Ferrante, D.C. Jacobson, D.J. Eaglesham, E.A. Fitzgerald, Y.H. Xie, J.M. Poate, L.C. Kimerling. Impurity enhancement of the 1.54-|im Er3+ luminescence in silicon // J. Appl. Phys., v.70, No.5, p.2672-2678 (1991).

24. F. Priolo, S. Coffa, G. Franzo, С Spinella, A. Camera, B. Bellany. Electrical and optical characterization of Er-implanted Si: The role of impurities and defects // J. Appl. Phys., v.74, No.8, p 4936-4942 (1993).

25. H.A. Соболев, M.C. Бреслер, О.Б. Гусев, М.И. Маковийчук, Е.О. Паршин, Е.И. Шек. Влияние условий отжига на интенсивность фотолюминесценции в Si:Er// ФТП, v.28, р.1995-1997 (1994).

26. J.L. Benton, D.J. Eaglesham, М. Almonte, Р.Н. Citrin, М.А. Marcus, D.L. Adler, D.C. Jacobson, J.M. Poate. Correlation of electrical, structural and optical properties of erbium in silicon // MRS Symp. Proc., v.301, p.l 19-126 (1993).

27. O.P.N. Favennec, H.L. Haridon, D. Moutonnet, M. Salvi, M. Gauneau. Optical activation of Er3+ implanted in silicon by oxygen impurities // Jap. J. Appl. Phys., v.29, p.L524-L528 (1990).

28. D. Moutonnet, H.L. Haridon, P.N. Favennec, M. Salvi, M. Gauneau, F. Arnaud d'Avitaya, J. Chroboczek. 1.54-^m PL of Erbium-implanted Silicon // Mater. Sci. Eng., v.B4, p.75-77 (1989).

29. D.J. Eaglesham, J. Michel, E.A. Fitzgerald, D.C. Jacobson, J.M. Poate, J.L. Benton, A. Polman, Y.H. Xie, L.C. Kimerling. Microstructure of erbium-implanted Si.// Appl. Phys. Lett., v.58, No.24, p.2797-2799 (1991).

30. A. Polman, J.S. Custer, E. Snoeks, G.N. van den Hoven. Incorporation of high concentrations of erbium in crystal silicon // Appl. Phys. Lett., v.62, p.507-510 (1993).

31. S. Coffa, F. Priolo, G. Franzo, V. Bellany, A. Camera, C. Spinella. Er luminescence in Si: a critical balance between optical activity and pumping efficiency // MRS Symp. Proc., v.301, p.125-131 (1993).

32. S. Coffa, F. Priolo, G. Franzo, V. Bellany, A. Camera, C. Spinella. Optical activation and excitation mechanisms of Er implanted in Si // Phys. Rev., v.B48, No. 16, p.l 1782-11788 (1993).

33. S. Coffa, G. Franzo, F. Priolo, A. Polman, R. Sema. Temperature dependence and quenching processes of the intra-4f luminescence of Er in crystalline Si // Phys. Rev., v.B49, No.23, p.16313-16320 (1994).

34. J.S. Custer, A. Polman, H.M. van Pinxteren. Erbium in crystal silicon: Segregation and trapping during solid phase epitaxy of amorphous silicon // J. Appl. Phys., v.75, No.6, p.2809-2817 (1994).

35. N. Vassievich, L.C. Kimerling. The mechanisms of electronic excitation of rare earth impurities in semiconductors // Semicond. Sci. Technol., v.8, No.5, p.718-727 (1993).

36. E.P. Widdershoven, J.P.M. Naus. Donor formation in silicon owing to ion implantation of the rare earth metal erbium // Mater. Sci. Eng., v.B4, p.71-74 (1989).

37. J.L. Benton, J. Michel, L.C. Kimerling, D.C. Jacobson, Y.H. Xie, D.J. Eaglesham, E.A. Fitzgerald, J.M. Poate. The electrical and defect properties of erbium-implanted silicon // J. Appl. Phys., v.70, No.5, p.266-2671 (1991).

38. V.V. Emtsev, V.V. Emtsev Jr, D.S. Poloskin, E.I. Shek, N.A. Sobolev, J. Michel, L.C. Kimerling. Oxygen and erbium related donor centers in Czochralski grown silicon implanted with erbium // ФТП, т.ЗЗ, в. 10, c.l 192-1195 (1999).

39. H. Przybylinska, W. Jantsch, Yu. Suprun-Belevitch, M. Stepikhova, L. Palmetshofer, G. Hendorfer, A. Kozanecki, R.J. Wilson, B.J. Sealy. Optically active erbium centers in silicon // Phys. Rev., v.B54, p.2532-2547 (1996).

40. Y.S. Tang, K.C. Heasman, W.P. Gillin, B.J. Sealy. Characteristics of rare-earth element erbium implanted in silicon // Appl. Phys. Lett., v.55, No.5, p.432-434 (1989).-5 I

41. P.B. Klein, G.S. Pomrenke. Photoluminescence decay of 1.54 jim Er emission in Si and III-V semiconductors // Electron. Lett., v.24, p. 1503-1509(1988).

42. M.C. Бреслер, Т. Григоркиевич, О.Б. Гусев, Н.А. Соболев, Е.И. Теруков, И.Н. Яссиевич, Б.П. Захарченя. Механизмы возбуждения и температурного гашения люминесценции ионов эрбия в кристаллическом и аморфном кремнии // ФТТ, т.41, с.851-855 (1999).

43. J. Palm, F. Gan, B. Zheng, J. Michel, L.C. Kimerling. Electroluminescence of erbium-doped silicon // Phys. Rev., v.B54, No.24, p.17603-17615 (1996).

44. F. Priolo, G. Franzo, S. Coffa, A. Camera. Excitation and nonradiativeо tdeexcitation processes of Er in crystalline Si // Phys. Rev., v.B57, No.8, p.4443-4455 (1998).

45. S. Coffa, G. Franzo, F. Priolo. High efficiency and fast modulation of Er doped light emitting Si diodes // Appl. Phys. Lett., v.69, No. 14, p.2077-2079 (1996).

46. L. Csepregi, J.W. Mayer, T.W. Sigmon. Regrowth behavior of ion-implanted amorphous layers on 111 silicon // Appl. Phys. Lett., v.29, No.2, p.92-94 (1976).

47. R. Drosd, J. Washburn. Some observations on the amorphous to crystalline transformation in silicon // J. Appl. Phys., v.53, No.l, p.397-403 (1982).

48. Г. Матаре. Электроника дефектов в полупроводниках // М.: Мир, 464с. (1974). Пер. с англ. под ред. проф. С.А. Медведева.

49. N.A. Sobolev, A.M. EmeFyanov, S.V. Gastev, P.E. Khakuashev, Yu.A. Nikolaev, M.A. Trishenkov. Light-emitting Si:Er:0 diodes operating in the avalanche regime // MRS Symp. Proc., v.486, p. 139-144 (1998).

50. M.S. Bresler, O.B. Gusev, P.E. Pak, I.N. Yassievich. Efficient Auger-excitation of erbium in reversely-biased silicon structures // Appl. Phys. Lett., v.75, p.2617-2619 (1999).

51. N.A. Sobolev. Defects and their influence on the luminescence of rare earth ions implanted in single crystal Si // Physica B, v.308-310, p.333-336(2001).

52. Sobolev N.A. Infrared photoluminescence from holmium ions in single-crystal silicon and holmium oxide Text. / N.A. Sobolev, A.M. EmeFyanov, Yu.N. Filin, B.T. Melekh, Yu.A. Nikolaev, A.N. Yakimenko// Semicond. Sci. Technol. 2000. - v. 15 - p.511-513.

53. N.A. Sobolev, A.M. EmeFyanov, S.V. Gastev, P.E. Khakuashev, Yu.A. Nikolaev, M.A. Trishenkov. Light-emitting Si:Er:0 diodes operating in the avalanche regime // MRS Symp. Proc., v.486, p.139-144 (1998).

54. Emel'yanovA.M. Anomalous temperature dependence of erbium-related electroluminescence inreverse biased silicon p-n junctionText. / Emel'yanov A.M., Sobolev N.A., Yakimenko A.N. // Applied Physics Letters. -1998. V. 72. -No. 10. - p.1223-1225.

55. Соболев H.A. Вольт-фарадные характеристики р-п структур на основе (111) Si, легированного эрбием и кислородом Текст. / H.A. Соболев, A.M. Емельянов, А.Н. Якименко // Физика и техника полупроводников. -2001. Т.35. -N3. - с.330-334.

56. Емельянов A.M. Емкостные измерения диодных структур при больших обратных токах с учетом сопротивления подложки Текст. / A.M. Емельянов, А.Н. Якименко// Научно-технические ведомости СПбГТУ. -2001. N4(26). - с. 111-115.

57. Берман JI.C., Лебедев A.A. Емкостноя спектроскопия глубоких центров в полупроводниках //.Л: Наука. -. 176 с (1981).

58. D.V. Lang, "Deep-level transient spectroscopy: A new method to characterize traps in semiconductors", J. Appl. Phys., vol. 45 (1974) 3023.

59. Павлов, Л.П. Методы измерения параметров полупроводниковых материалов // М.: Высшая школа; Издание 2-е, перераб. и доп.- 239 с. -(1987).

60. Zerbst M. Relaxations effecte on Hableitor-Isolator-Grenzflachen.- // Z. Agew. Phys., v. 22b, lh, p. 30-33, (1966).

61. J.S.Kang, D.K.Schroder. The Pulsed MIS Capacitor. A Critical Review // Phys. Stat. Sol. (a), 1985, v. 89, p. 13.

62. D. K. Schroder and H. C. Nathanson, "On the separation of bulk and surface components of lifetime using the pulsed MOS capacitor," SolidState Electron., vol. 13, pp. 577-582, July 1970.

63. Gorban' A.P., Litovchenko V.G., Moskall D.H. Investigation of MIS structure generation characteristics // Sol. st. electr. 1975, v. 18, N 11, p.1053-1059.

64. Ржанов А.В., Свиташев К.К. Основы эллипсометрии. // Новосибирск: Наука, 1979. 423 с.81 .Lehoveck К. Rapid Evaluation of CV Plots for MOS Structures. // Solid State Electronics, v. 11, No. l,p. 135-137(1968)

65. Борковская О.Ю., Дмитрук Н.Л., Конакова P.B., Литовченко В.Г., Маева О.И. Влияние у-радиации на поверхностную генерацию-рекомбинацию в полупроводниковых структурах на 0CH0BeGaAs. // ФТП, 1986, т. 20, в. 9, 1640-1646.

66. Безлюдный C.B. Механизм генерации заряда в МДП структуре Текст. / Безлюдный C.B., Карпов В.Г., Колесников Н.В., Якименко А.Н. // Физика и техника полупроводников. 1989. - т.23.- в.11. -с.2013-2018.

67. Емельянов A.M. Влияние у-облучения на фотолюминесценцию кремния в структурах Si-Si02 Текст. / Емельянов A.M., Якименко А.Н. // Материалы VII межнационального совещания "Радиационная физика твердого тела". Севастополь, 30 июня - 5 июля 1997 г. -с.56.

68. Колесников Н.В. Исследование концентрации локальных уровней и поверхностных состояний в у-облученных МДП структурах Текст. /Колесников Н.В., Мальханов С.Е., Якименко А.Н. // Физика и техника полупроводников. -1996. т.30. - в.9. -с.1691-1694

69. А.А.Лебедев, Н.А.Соболев, В.Экке. Фотоемкость МДП структуры // ФТП, 1981, т.15, в.7, с.1438-1439.

70. Райх М.Э., Рузин И.М. Флуктуации прозрачности случайно -неоднородных барьеров конечной площади //ЖЭТФ. 1987. Т.92, №6. С.2257-2276.

71. В.А.Гергель, Р.А.Сурис. Исследование флуктуации поверхностного потенциала в структурах металл-диэлектрик-полупроводник // ЖЭТФ, 1978, т. 75, с. 191.

72. Барковская О.Ю., Дмитрук H.A., Литовченко В.Г., Мищук О.И. К модели радиационно-стимулированного упорядочения в полупроводниках АШВУ. // ФТП, 1989, Том 23, № 2, с. 207-212.

73. Ржанов A.B. Электронные процессы на поверхности полупроводников // М.: Наука, 1971. 480 с.95,Овсюк В.Н. Электронные процессы в полупроводниках с областями пространственного заряда. // Новосибирск: Наука, 1984.

74. Шкловский Б.И. Модель поверхностной рекомбинации. // Письма в ЖЭТФ, 1986, т. 44, в. 2, с. 95-98.

75. Левин Е.И., Рузин И.М., Шкловский Б.И. Поперечная прыжковая проводимость аморфных плекнок в сильных электрических полях // ФТП, 1988, т.22, №4, стр.642-653.

76. Якименко А.Н. Механизм генерации заряда в МДП структурах Текст. / Якименко А.Н.// Физика и техника полупроводников. -1991. т.25. - в.11. -с.958-961.

77. Безлюдный C.B. Авторское свидетельство СССР на изобретение № 1554669 по заявке № 4301043 от 20 июля 1987 г., зарегистрировано 1 декабря 1989 г. Способ изготовления приборов с переносом заряда на основе МНОП структур Текст. / Безлюдный C.B., Колесников

78. Н.В., Патракеев С.П., Санин К.В. , Суриков И.Н., Хансеваров Р.Ю., Якименко А.Н.

79. J. Stimmer, A. Reittinger, J.F. Nutzel, G. Abstreiter, H. Holzbrecher, Ch. Buchal. Electroluminescence of erbium-oxygen-doped silicon diodes grown by molecular beam epitaxy // Appl. Phys. Lett., v.68, p.3290-3292 (1996).

80. J. Bude, N. Sano, A. Yoshii. Hot-carrier luminescence in Si // Phys. Rev., v.B45, No.l 1, p.5848-5856 (1992).

81. T. Puritis, J. Kaupzs. Radiation caused by direct and indirect transitions in Silicon at avalanche and secondary breakdown // Proc. 21-st Internat. Conf. on Microelectronics, v.l, p. 161-164 (1997), Nis, Yugoslavia, Sept. 14-17 (1997).

82. E. Cartier, J.C. Tsang, M.V. Fischetti, D.A. Buchanan. Light emission during direct and Fowler-Nordheim tunneling in ultra thin MOS tunnel junctions // Microelectronic Engineering, v.36, p.103-106 (1997).

83. A.G. Chynoweth, K.G. McKay. Photon Emission from Avalanche Breakdown in Silicon // Phys. Rev., v.102, No.2, p.369-376 (1956).

84. H.A. Соболев, A.M. Емельянов, Ю.А. Николаев. Влияние дозы имплантации ионов эрбия на характеристики (111) Si:Er:0 -светодиодных структур, работающих в режиме пробоя р-n перехода // ФТП, т.34, в.9, с. 1069-1072 (2000).

85. A.M. Емельянов, Н.А. Соболев, М.А. Тришенков, П.Е. Хакуашев. Туннельные светодиоды на основе Si:(Er,0) с малыми временами нарастания электролюминесценции ионов Ег3+ в режиме пробоя // ФТП, т.34, в.8, с.965-969 (2000).

86. Бургуэн Ж., Ланно М., Точечные дефекты в полупроводниках, т. 1, Теория, // М., Мир, 1984

87. Ланно М., Бургуэн Ж., Точечные дефекты в полупроводниках, т.2, Экспериментальные аспекты, // М., Мир, 1985

88. Н.А. Соболев, A.M. Емельянов, Ю.А. Николаев, В.И. Вдовин. Влияние ориентации кремниевой подложки на свойства лавинных Si:Er:Q светоизлучающих структур // ФТП, т.ЗЗ, с.660-663 (1999).