Электрические свойства ограниченных полупроводников с естественными и искусственными неоднородностями

Актуальность работы заключается в том, что полупроводниковые материалы с заданными неоднородностями находят широкое применение в электронных приборах и явления, протекающие в таких структурах, контроль качества такого рода материалов требует развития физических моделей, детально описывающих распределения электрического поля в образце, учета возникающих физических эффектов на основании анализа электрических свойств с привлечением математического и компьютерного моделирования. Цель работы: экспериментальное подтверждение модельно обоснованного влияния естественных и создаваемых примесных неоднородностей на электрические свойства ограниченных полупроводников. Основные задачи: (1) на основе решения краевой электродинамической задачи аналитически описать распределение потенциала стационарных электрических полей, согласующееся с 4-х зондовыми и холловскими измерениями в ограниченных полупроводниках; (2) на основе предложенной теоретической модели построить распределения потенциала стационарных электрических полей при зондовых измерениях для выявления естественных локальных неоднородностей в ограниченных полупроводниках прямоугольной и круглой формы; (3) построить модель распределений потенциала стационарных электрических полей в ограниченных неоднородных полупроводниковых материалах с созданными искусственно примесными включениями, основанную на решении уравнений Пуассона с учетом характерных законов изменений электропроводимости по глубине; (4) выявить влияние распределения примесей в ограниченных полупроводниках с искусственными неоднородностями на концентрирование стационарного электрического поля и распределение плотности тока при контактных методах измерений удельной электропроводности; (5) выявить роль типа проводимости (n и p) в полупроводнике GaAs прямоугольной и круглой формами по вольтамперным характеристикам, измеренным с помощью никелевого контакта. Научная новизна: (1) построена и экспериментально подтверждена теоретическая модель расчета трехмерных распределений потенциалов в объеме образцов полупроводниковых материалов в форме параллелепипеда, содержащего структурные неоднородности однослойных материалов с характерными для планарной технологии законами изменений электропроводимости по глубине, и двуслойных структур n-n+ и p-p+ со скачкообразным изменением проводимости, представленная рядом Фурье из специальных ортогональных функций; (2) по оригинальной методике определения сопротивлений растекания и переходного в контактах металл-неоднородный полупроводник в ограниченной области построена трехмерная модель распределений статических потенциалов, подтвержденная результатами экспериментальных измерений. Теоретическая и практическая значимость работы: (1) полученные в работе выражения для распределений электрических полей в ограниченных неоднородных и однородных полупроводниковых образцах использованы при расчетах удельной электропроводности и коэффициента Холла; (2) представлены аналитические соотношения, с помощью которых можно контролировать однородность образцов по величине удельной проводимости и коэффициента Холла на основе зондовых измерений; (3) для полупроводниковых дисков получена удобная методика моделирования электрических полей при помещении образца с током в однородное магнитное поле, разработана соответствующая компьютерная программа, зарегистрированная в ФИПС; (4) выявлена и определена аналитическая нелинейная зависимость электрического напряжения между измерительными зондами от параметров распределения примесей в ограниченных неоднородных диффузионно-легированных и ионно-имплантированных полупроводниках реальных образцов при проведении исследований на постоянном токе; (5) разработан и практически реализован метод получения омических измерительных контактов к GaAs; показаны особенности протекания постоянного тока через полученный электрохимическим методом контакт Ni GaAs. Выявлено, что структуры Ni p-GaAs проявляют омические свойства, а вольтамперные характеристики контактов Ni n-GaAs имеют нелинейную область при напряжениях менее 1,5 вольт; (6) представленные в работе выражения в виде рядов специальных ортогональных функций для распределений электрических полей в неоднородных полупроводниковых пленках и образцах могут быть использованы при анализе экспериментальных данных зондовых измерений, в том числе при рассмотрении результатов сканирующей зондовой микроскопии методом сопротивления растекания; (7) полученные и проанализированные в работе выражения для электрических полей могут быть использованы для моделирования электрофизических свойств реальных неоднородных материалов электроники и легированных полупроводников.