Vytautas Lapeika THERMOSTIMULATION GENERATION OF ...

VILNIUS PEDAGOGICAL UNIVERSITY
Vytautas Lapeika
THERMOSTIMULATION GENERATION OF
CHARGE CARRIERS IN STRONG ELECTRIC
FIELDS IN THE PRESENCE OF THE
SCHOTTKY BARRIER
Abstract of doctoral dissertation
Physical sciences, physics (P260)
Vilnius, 2001
1

This work has been carried out at Vilnius Pedagogical University in the
years 1990-2000. The right of doctoral studies was granted to the Institute of
Physics in 1998 04 14 by decision No.457 of the Goverment of the Republic of
Lithuania
Doctoral Committee:
Chairman:
prof. dr. habil. Povilas PIPINYS (Vilnius Pedagogical University, physical
sciences, physics P260).
Members:
prof. dr. habil. Algirdas AUDZIJONIS ( Vilnius Pedagogical University,
physical sciences, physics P260);
prof. dr. habil. Kæstutis MAKARIÛNAS (Institute of Physics, physical sciences,
physics P220);
prof. dr. habil. Leonas VALKÛNAS (Institute of Physics, physical sciences,
physics P260);
dr. Alfonsas RËZA (Semiconductor Physics Institute, physics sciences,
physics P265).
Opponents:
prof. dr. habil. Antanas ÈESNYS (Vilnius Gediminas Technical University,
physics sciences, physics P265);
dr. Nerija ÞURAUSKIENË (Semiconductor Physics Institute, physics sciences,
physics P260).
The Doctoral dissertation will be presented for public defence at Vilnius
Pedagogical University, Room L105, Studentø str. 39, Vilnius, on December
17 2001.
The abstract of the dissertation was sent on 2001.
A copy of the dissertation is available in the libraries of Vilnius Pedagogical
University and the Institute of Physics.
Comments should be sent to: Mokslo skyrius, Vilniaus pedagoginis
universitetas, Studentø 39, LT-2004 Vilnius.
2

Temos aktualumas
Pastaraisiais deðimtmeèiais aktyviai tiriami fizikiniai procesai, vykstantys
sandûroje metalas – puslaidininkis su Ðotkio barjeru. Ðie procesai nëra elementarûs
teoriniu poþiûriu. Ligðioliniai tyrimai, atlikti daugelio autoriø, negali
vienareikðmiðkai atsakyti á klausimà: koks yra vyraujantis krûvio perneðimo
per Ðotkio barjerà mechanizmas. Gilesnis ðio proceso supratimas átakotø
puslaidininkiniø diodø gamybos technologijos plëtrà, o tai savo ruoþtu leistø
sukurti norimø parametrø ðviesos diodus, varikapus ir kitus puslaidininkinius
prietaisus. Todël ðie tyrimai yra aktualûs moksliniu ir praktiniu poþiûriu.
Eksperimentiðkai stebimos voltamperinës charakteristikos (VACh) laidþia
ir atgaline kryptimi ávairiø autoriø aiðkinamos, naudojant tokius krûvio perneðimo
Ðotkio barjere mechanizmus: virðbarjerinë termoemisija, krûvininkø tuneliniai
ðuoliai per barjerà, krûvininkø rekombinacija - generacija nualintoje
srityje ir krûvininkø rekombinacija neutralioje puslaidininkio srityje. Remiantis
tais mechanizmais, sukurtos ávairios krûvio pernaðos per barjerà teorijos.
Pagal termoemisijos teorijà manoma, kad atgalinës srovës VACh turi átakos
barjero aukðèio maþëjimas, didinant prijungtà átampà. Ðotkio barjero aukðtis
yra labiausiai kontroliuojamas ðiuose dioduose parametras. Nustatant barjero
aukðtá ið I(U) matavimø pagal termoemisijos teorijà, gaunamas nesutapimas su
kitais metodais gautais rezultatais. Eksperimentinëse VACh nestebimas atgalinës
srovës ásisotinimas. Norint paaiðkinti stebimus eksperimento nesutapimus
su teorija, bandoma atsiþvelgti á papildomus faktorius. Tai pavirðinës
elektronø bûsenos riboje metalas-puslaidininkis, barjero erdvinis nevienalytiðkumas,
nuotëkio srovës, puslaidininkio varþa. Manoma, kad priklausomai
nuo sàlygø veikia keletas mechanizmø. Daugelio konkuruojanèiø mechanizmø
áskaitymas kelia problemà, nustatant jø dominavimo ribas. Ðotkio diodø
atgalinës srovës temperatûrinës ir voltamperinës priklausomybës sunkiai apraðomos
minëtomis teorijomis.
Bandymais nustatytas atgalinës srovës ypatybës Ðotkio dioduose [1] buvo
sëkmingai aiðkinamos, naudojant fononais stimuliuotø elektronø tuneliniø
ðuoliø ið gilaus centro teorijà. Mûsø darbe tyrimai praplësti, tiriant A 3 B 5 , A 2 B 6
tipo puslaidininkines medþiagas, kuriø pavirðiuje suformuotas Ðotkio barjeras.
Krûvio generacijos procesas tiriamose struktûrose nustatomas, tiriant srovës
stiprio priklausomybes nuo temperatûros ir atgalinës átampos. Ðiame darbe
atlikti sisteminiai tyrimai parodë, kad stebimas eksperimentines atgalinës srovës
priklausomybes nuo átampos ir temperatûros galima aiðkinti krûvininkø
generacijos proceso ypatybëmis.
3

4
Disertacinio darbo tikslas
Nustatyti laisvøjø krûvininkø generacijos mechanizmà, sàlygojantá eksperimentiðkai
stebimus atgalinës srovës stiprio dësningumus A 3 B 5 , A 2 B 6 struktûrose
su Ðotkio tipo barjeru. Siekiant tø tikslø, buvo eksperimentiðkai iðmatuota:
atgalinës srovës stiprio temperatûrinës priklausomybës, esant skirtingoms
átampoms, VACh skirtingose temperatûrose, elektroliuminescencijos (EL)
skaisèio priklausomybës nuo átampos ir temperatûros. Gautos eksperimentinës
priklausomybës palygintos su ávairiais teoriniais modeliais.
Praktinë nauda ir naujumas
Ðiame darbe, remiantis eksperimentiniais matavimais ir jø palyginimu su
teoriniais modeliais, parodyta, kad atgalinës srovës dioduose priklausomybes
nuo temperatûros ir atgalinës átampos lemia krûvininkø generacijos procesas,
kurio pagrindiniai mechanizmai yra elektronø tuneliniai ðuoliai, dalyvaujant
fononams ir Frenkelio termoemisija. Nustatytos tunelinio ir Frenkelio mechanizmø
dominavimo ribos.
Gauti rezultatai yra svarbûs, aiðkinant fizikinius procesus, vykstanèius tirtose
struktûrose, esant stipriam elektriniam laukui. Atlikti tyrimai leidþia giliau
suprasti krûvio perneðimo mechanizmà Ðotkio barjere. Darbe naudota metodika
leidþia pakankamai tiksliai nustatyti elektrinio lauko stiprá barjere bei
ávertinti kitus centrø parametrus: elektrono ir fonono sàveikos konstantà, elektronø
pavirðiniø bûsenø tanká.
Disertacijos ginamieji teiginiai
1. Srovës stiprio priklausomybæ nuo atgalinës átampos ir temperatûros
n/GaP dioduose su Ðotkio barjeru sàlygoja pavirðiniø elektroniniø bûsenø
metalo ir puslaidininkio riboje tunelinë jonizacija.
2. Atgalinës srovës priklausomybes nuo temperatûros bei átampos
SiO 2 -n/Si , SiO 2 -n/GaAs dariniuose lemia krûvininkø tuneliniø ðuoliø ið oksido-metalo
sandûroje esanèiø elektroniniø bûsenø á puslaidininká procesas.
3. p/InP dioduose su Ðotkio barjeru pagrindinis srovës perneðimo mechanizmas
yra fononais stimuliuotas tuneliavimas, kuris vyrauja stipriø laukø
srityje. Aukðtose temperatûrose ir silpnesniuose laukuose þenklià átakà turi
Frenkelio termoemisijos mechanizmas.
4. Elektroliuminescuojanèiose struktûrose su SrS:Ce plëveliniu liuminoforu
elektroliuminescencijos skaisèio priklausomybæ nuo átampos sàlygoja

laisvøjø elektronø generacijos procesas. Èia elektronø ðaltinis yra dviejø gyliø
pavirðiniai centrai liuminofore. Jø pagrindinis jonizacijos mechanizmas
yra fononais stimuliuotas tuneliavimas.
Disertacijos aprobacija
Pagrindiniai darbo rezultatai buvo pateikti 31 - 33-oje Nacionalinëse fizikos
konferencijose (Vilnius, 1996, 1997, 1999), Sàjunginëje konferencijoje
”Ôèçèêà è ïðèìåíåíèå êîíòàêòà ìåòàëë-ïîëóïðîâîäíèê” (Kijevas, 1987),
Sajunginëje konferencijoje liuminescencijos klausimais (Angarskas, 1991),
Tarptautinëje konferencijoje liuminescencijos klausimais (Maskva, 1994), “The
first International conference on Material Science of chalcogenide and Diamond-structure
semiconductors” (Èernovcai, 1994), Treèioje tarptautinëje konferencijoje
“Physical problems in material science of semiconductors” (Èernovcai,
1999).
Darbo sandara
Disertaciná darbà sudaro ávadas, 4 skyriai, priedas, iðvados ir panaudotos
literatûros sàraðas. Bendra apimtis 74 puslapiai, 27 brëþiniai ir 93 pavadinimø
literatûros sàraðas.
Turinio iðdëstymas
I skyrius. Jame apþvelgiama literatûra, susijusi su Ðotkio barjero tyrimais,
pateikiami pagrindiniai teoriniai krûvininkø perneðimo pro barjerà modeliai.
Remiantis literatûros apþvalga, padarytos iðvados apie modeliø tinkamumà,
aiðkinant krûvininkø perneðimà.
II skyrius. Jame apraðoma bandiniø sandara, eksperimentiniams tyrimams
naudota aparatûra bei tyrimo metodika.
GaP diodams pavirðiniai barjerai buvo pagaminti ant epitaksinio sluoksnio
su azoto priemaiða, gauto ið skystos fazës. Laisvøjø elektronø koncentracija
kambario temperatûroje buvo N=(6-12 )x10 17 cm -3 . Pavirðiaus normalës orientacija
(111). Barjerà formuojanèiu elektrodu buvo 1 ir 1,4 mm skersmens aliuminio
diskas, apsuptas ominio kontakto þiedu.
Al-SiO 2 -n/Si struktûros pagrindà sudarë Si n-tipo (N=2x10 16 cm -3 ) plokðtelë.
Pavirðiaus normalës orientacija (111). Plonas oksido SiO 2 sluoksnis ant Si
buvo gautas, termiðkai oksiduojant pavirðiø sauso deguonies atmosferoje, esant
700 o C temperatûrai. Oksido sluoksnio storis 4 ir 60 nm. Barjerà formuojanèiu
5

elektrodu tarnavo ant oksido uþgarintas 0,8 mm skersmens aliuminio diskas.
Kitoje plokðtelës pusëje buvo suformuotas ominis kontaktas.
Al-SiO 2 -n/GaAs struktûros gamintos ant GaAs n-tipo (5x10 16 cm -3 ) plokðtelës.
Pavirðiaus normalës orientacija (100). Vienoje plokðtelës pusëje buvo
plazmocheminiu bûdu uþdëtas silicio dioksido sluoksnis. Ant oksido sluoksnio
uþgarintas 1 mm skersmens aliuminio elektrodas. Kitoje plokðtelës pusëje
suformuotas ominis kontaktas. Oksido sluoksnio storis 40 nm.
Buvo tirtos Al-n/GaAs nuosavas oksidas struktûros. Gaminant ðià struktûrà,
GaAs pavirðius oksiduotas deguonies atmosferoje 40 min. 510 o C temperatûroje.
Al-p/InP diodai pagaminti epitakcijos bûdu ið cinku legiruoto indþio fosfido.
Krûvio neðëjø koncentracija, nustatyta kambario temperatûroje ið voltamperiniø
charakteristikø, buvo lygi 1,8 x10 16 cm -3 .
Plonos elektroliuminescuojanèios ITO-SiO 2 /SiON-SrS:Ce-SiON/SiO 2 -Al
plëvelinës struktûros - aktyvatoriumi liuminofore buvo ávestas 0,1 mol % koncentracijos
CeCl 3 . Plëveliø storiai: SiO 2 ~(30-50) nm, SiON ~(200-250) nm,
SrS:Ce~(0.7-1.4) mm. Tirtos struktûros, veikiant kintamai átampai, emitavo joms
bûdingà spinduliuotæ.
Tyrimø metodika
Atliekant srovës stiprio priklausomybës nuo temperatûros ir átampos matavimus,
tiriamieji bandiniai buvo talpinami á vakuuminá arba azotu prapuèiamà
kriostatà. Vakuuminiame kriostate slëgis buvo palaikomas p

Atgalinë srovë Ðotkio dioduose
III skyrius
Ðiame skyriuje pateikti eksperimentiniai atgalinës srovës Ðotkio dioduose
priklausomybës nuo prijungtos átampos ir temperatûros tirtose struktûrose
duomenys bei gautø priklausomybiø palyginimas su naudoto teorinio modelio
duomenimis.
3.1 skirsnyje aptarti eksperimentiniai srovës stiprio priklausomybës nuo
atgalinës átampos ir temperatûros Al-n/GaP, Al-n/GaP:S struktûrose duomenys.
Tirtos struktûros pasiþymëjo tuo, kad atgalinës srovës jose turëjo stiprià
priklausomybæ nuo temperatûros, esant maþoms atgalinës átampos vertëms.
Tokio tipo srovës stiprio temperatûrines priklausomybes sunku paaiðkinti áprastomis
Ðotkio diodø teorijomis [2-8]. Todël mes jas aiðkinome remdamiesi modeliu,
pasiûlytu [1], aiðkinant atgalinës srovës VACh GaAs dioduose. Tariama,
kad minëtuose dioduose krûvio neðëjø ðaltinis yra elektroninës bûsenos puslaidininkyje
arti sandûros metalas-puslaidininkis. Elektronai patenka á puslaidininkio
laidumo juostà, jiems tuneliuojant ið ðiø bûsenø.
Gautos eksperimentinës I(U) priklausomybës palygintos su teorinëmis elektrono
tuneliavimo per barjerà tikimybës priklausomybëmis nuo lauko stiprio.
Lyginimas remiasi prielaida, kad elektronai, tuneliavæ ið savo lygmens á laidumo
juostà, yra neiðsklaidomi ir nespëja rekombinuoti, kol palieka puslaidininkio
barjero sritá. Tuneliavimo spartos apskaièiuotos pagal [9] darbo (16) formulæ:
Èia
ξ =
2
Φ
W
Sm
K = S
S K S −K
eFa
( ) [ ( ) ]
( n + 1)
n
T,
F = exp − a 2n
+ 1 × ∑∑ ∗
1/
2
S = 0 K = 02{
2m
[ ∆ − hω(
S − 2K
) ] } K!
( S − K ) !
⎛ 4 2
exp⎜
m
×
⎜
⎝
3ehF
hω
ehF
() ∫ −
ξ
2
2
ξ =
π
4 ∗
( S − 2K
) 2m
4 ∆ + hω(
S − 2K
)
0
∗
( ) 2
π
3 / 2
2
ξ
[ ∆ − hω(
S − 2K
) ] ⎟ 1−
ξe
[ 1−
Φ()
ξ ]
e dy
y -paklaidø integralas, S - maksimalus procese
m
dalyvaujanèiø fononø skaièius, a - elektrono ir fonono sàveikos konstanta,
7
⎞
⎟
⎠
(1)

n=[exp(hwwwww/kT)-1] -1 , hwwwww - fonono energija, m*- efektinë elektrono masë, D -
centro gylis, F- elektrinio lauko stipris.
Skaièiavimai atlikti, esant ávairioms elektrono ir fonono sàveikos konstantos
a vertëms. Lyginame visà I(U) priklausomybiø ðeimà su W(F), esant skirtingoms
temperatûroms. Elektrono ir fonono sàveikos konstanta parenkama taip, kad
gautøsi geras eksperimentiniø taðkø sutapimas su teorinëmis tikimybës eigomis.
Lyginant buvo tariama, kad lauko stipris barjere F proporcingas (U+U o ) 1/2 , kur
U - prijungta átampa, o U o - difuzinis potencialas. Difuzinio potencialo vertë
U o nustatoma ið C(U) matavimø. Manoma, kad atgalinës srovës stipris
proporcingas lokalizuotø elektronø pavirðiniam tankiui N ir jø delokalizacijos
( tuneliavimo ) per sekundæ tikimybei W, t.y.
Iatg = WNeS,
(2)
kur S – barjerinio elektrodo plotas, e - elektrono krûvis.
8
1 pav. Atgalinës srovës stiprio I priklausomybë
nuo átampos (U+U o ) GaP diodams (taðkai) ir
teorinës tuneliavimo tikimybës W
priklausomybës nuo elektrinio lauko stiprio F
(iðtisinës linijos). Teorinës kreivës skaièiuotos,
esant D=0,64 eV, m*=0,16 m e , a=6,
hwwwww=0,046 eV. Difuzinis potencialas
U o =0,5 V. T, K: 1-230, 2-310, 3-370.
1 paveiksle pateiktas Al-n/GaP bandiniø atgalinës srovës stiprio, esant
skirtingoms temperatûroms, palyginimas su teorinëmis tuneliavimo,
dalyvaujant fononams, tikimybëmis W(F).

Eksperimentines priklausomybes palyginus su teorinëmis tikimybëmis W,
ávertintas pavirðiniø bûsenø tankis. Jis gautas 1x10 11 cm -2 Al-n/GaP bandiniams
ir 9x10 11 cm -2 Al-n/GaP:S bandiniams. Srovës stiprio priklausomybëje
nuo átampos GaP:S bandiniams galima iðskirti tris sritis:1) srovës stiprio priklausomybë
nuo átampos (U < 8V) ir temperatûros, kurià galima paaiðkinti
daugiafononine tuneliavimo teorija ir Frenkelio mechanizmu, 2) átampø sritis
su staigiu srovës augimu, didëjant átampai, paaiðkinama smûginiu lavininiu
procesu (U>8) [10], 3) sritis su tiesine srovës stiprio priklausomybe nuo átampos
(U > 17 V).
3.2 skirsnyje aptariamos dariniø Al-SiO 2 -n/Si, Al-SiO 2 -n/GaAs, Al-n/GaAs
su nuosavu oksidu srovës stiprio temperatûrinës ir VACh, esant ájungtai atgalinei
átampai. 2 paveiksle pateikta srovës stiprio priklausomybë nuo temperatûros
SiO 2 plëvelëse. Ið lnI priklausomybiø nuo 1/T, vaizduojamø tiesiomis
2 pav. Srovës stiprio I priklausomybë nuo
temperatûros T, esant skirtingoms atgalinës
átampos vertëms, Al-SiO 2 -n/Si struktûroms
( rutuliukai) ir teorinës tuneliavimo tikimybës
W priklausomybës nuo temperatûros
(iðtisinës linijos), apskaièiuotos, kai:
D=0,6 eV, m*=0,33 m e , hwwwww=0,063 eV,
a = 6. U,V: 1-1; 2-2; 3-4; 4-6; 5-8. F,
10 7 V/m: 1-3,8; 2-5,5; 3-7,2; 4-8,3; 5-9,3.
SiO 2 plëvelës storis d = 60 nm.
3 pav. Srovës stiprio I priklausomybë
nuo temperatûros T, esant skirtingoms
atgalinës átampos vertëms, Al-SiO 2 -n/
GaAs struktûroms (rutuliukai) ir
teorinës tuneliavimo tikimybës W
priklausomybës nuo temperatûros
(iðtisinës linijos), apskaièiuotos, kai
D=0,5 eV, m*=0,068 m e , a= 8,
hwwwww=0,036 eV. U,V: 1-0,2; 2-0,5;
3-1,0; 4-1,4; 5-4,0. F,10 7 V/m: 1-0,7;
2-0,9; 3-1,3; 4-1,8; 5-2,3. SiO 2
plëvelës storis d = 40 nm.
9

linijomis maþø átampø srityje, apskaièiuota terminës aktyvacijos energija,
kuri lygi 0,6 eV Al-SiO 2 -n/Si diodams. 3 paveiksle pavaizduota srovës temperatûrinë
priklausomybë Al-SiO 2 -n/GaAs diodams. Tokios pat priklausomybës
gautos ir Al-n/GaAs su nuosavu oksidu diodams. Esant maþoms átampoms,
Al-SiO 2 -n/GaAs dioduose ln I priklausomybës nuo 1/T vaizduojamos tiesiomis
linijomis su terminës aktyvacijos energija 0.5 eV. Gautos eksperimentinës
I(T) priklausomybës palygintos su teorinëmis elektronø tuneliavimo tikimybës
priklausomybëmis nuo temperatûros. Ið 2 ir 3 paveikslø matyti, kad yra
geras teoriniø ir eksperimentiniø priklausomybiø atitikimas. Ávertintas bûsenø
tankis pavirðiniame sluoksnyje. Jis gautas 1,2x10 12 cm -2 Al-SiO 2 -n/Si bandiniams,
2,8x10 12 cm -2 - Al-SiO 2 -n/GaAs ir 3.7x 10 11 cm -2 – Al-n/GaAs su nuosavu
oksidu. Tirtø struktûrø VACh taip pat gerai derinasi su teoriniu modeliu. Ðis
modelis panaudotas interpretuoti temperatûrinëms srovës stiprio priklausomybëms
struktûrose Al-SiO 2 -n/Si (oksido storis buvo 140 nm), pateiktom [11]
darbe. Cituojamo darbo eksperimentiniai rezultatai gerai derinasi su mûsø naudojamu
teoriniu modeliu. Ið palyginimo ávertintas pavirðiniø bûsenø tankis,
kuris sutapo su cituojamo darbo autoriø ávertinimu ir lygus 2x10 11 cm -2 .
3.3 skirsnyje pateikti p/InP diodø srovës stiprio priklausomybiø nuo temperatûros
ir atgalinës átampos tyrimø eksperimentiniai duomenys. VACh turi
stiprià temperatûrinæ priklausomybæ. Kreiviø polinkis, didinant temperatûrà,
maþëja (4 pav.).
Stebimas srovës stiprio temperatûrines priklausomybes aiðkiname modeliu,
pagal kurá skylutës tuneliuoja ið bûsenø metalo-puslaidininkio riboje á
valentinæ puslaidininkio juostà. Tariame, kad srovës stipris per barjerà proporcingas
tuneliavimo tikimybei W. 4 paveiksle W(F) priklausomybës pavaizduotos
punktyrinëmis linijomis. Ið palyginimo matyti, kad teorinës W(F) kreivës
(punktyrinës linijos) nesiderina su eksperimentinëmis VACh kreivëmis
(taðkai). Patenkinamas sutapimas su tuneline teorija yra tik stipriø laukø srityje.
Ypaè didelis skirtumas tarp eksperimento ir teorijos matomas aukðtesnëse
temperatûrose.
Teoriniø priklausomybiø nesutapimas su eksperimentinëmis gali bûti paaiðkintas
tuo, kad be tunelinës emisijos pasireiðkia ir kiti mechanizmai. Tunelinis
mechanizmas yra vyraujantis stipresniø laukø ir þemesniø temperatûrø
srityje, o silpnesniuose laukuose ir aukðtesnëse temperatûrose dominuoja kitas
mechanizmas. Tai gali bûti Frenkelio emisija, kuriai bûdinga stipri temperatûrinë
priklausomybë ir maþiau iðreikðta tikimybës priklausomybë nuo lauko
stiprio, negu tuneliniu atveju. Veikiant abiem nepriklausomiems mechanizmams,
tikimybës sumuojamos:
W S =W+W F ,
10

kur W–tuneliavimo tikimybë, paskaièiuota pagal (1) formulæ, W F –tikimybë
pagal Frenkelio formulæ [12]:
W
F
ε −β
T
kT
( T F ) ν e
F
, (3)
= 0
kur v o - daþnuminis daugiklis, b=(e 3 /ðp e o ) 1/2 , e T - termininës aktyvacijos
energija, e o - elektrinë konstanta, e - medþiagos dielektrinë skvarba, e - elektrono
krûvis. Suminës tikimybës W s (F,T) priklausomybës 4 paveiksle vaizduojamos
iðtisinëmis linijomis.
4 pav. Atgalinës srovës stiprio I
priklausomybë nuo átampos (U+U o ) p/InP
diodams, esant skirtingoms temperatûroms
(T=(1) 294, (2) 343, (3) 364 K) ir palyginimas
su tuneliavimo teorijos tikimybe W ir su W S
priklausomybe nuo elektrinio lauko stiprio F.
Skaièiavimai atlikti, esant parametrams:
D=0,75 eV, m*=0,5 m e , a= 6, hw=0,042 eV,
n o =3x10 8 s -1 , e=12,5, U o =0,5 V, S=0,5mm 2 .
Ið 4 paveikslo matyti, kad eksperimentiniai duomenys gerai sutampa su
teorinëmis priklausomybëmis. Jeigu laikysimës anksèiau priimtos prielaidos,
kad visos skylutës, iðlaisvintos ið centro, palieka nuskurdintà sritá nerekombinavusios,
tai srovës stipris bus apraðomas (2) formule. Ið eksperimentiniø ir
teoriniø duomenø palyginimo ávertintas N= 5·10 13 cm -2 .
11

5 pav. Al-p/InP diodø aktyvacijos energijos
E akt . priklausomybë nuo atgalinës átampos
(taðkai), gauta ið srovës stiprio temperatûrinës
priklausomybës ir teorinës aktyvacijos
energijos priklausomybës nuo elektrinio lauko
stiprio F (1 kreivë). Tokios pat priklausomybës
pateiktos Au-p/InP diodui ið [13 ] darbo
(rutuliukai, 2 kreivë).
5 paveiksle pateikta aktyvacijos energijos priklausomybë nuo átampos
Al-p/InP bandiniui (taðkai) ir Au-p/InP bandiniui ið [13] darbo (rutuliukai),
paskaièiuota ið I(U,T) priklausomybiø. Ið paveikslo matyti, kad aktyvacijos
energija, didinant átampà, o tuo paèiu ir elektrinio lauko stiprá, maþëja. Panaðias
aktyvacijos energijos priklausomybes nuo elektrinio lauko stiprio gauname
ir tà energijà nustaèius ið teoriniø lnW(F,T) priklausomybiø nuo 1/T polinkio
(5 pav. iðtisinës linijos). Ðios aktyvacijos energijos priklausomybës palygintos
viena su kita.
Gautos E akt. priklausomybës nuo lauko stiprio F yra tokios pat, kaip stebimos
barjero aukðèio priklausomybës, nustatytos ið I(U,T) grafikø. Tai leidþia padaryti
iðvadà, kad eksperimentiðkai stebimas aktyvacijos energijos maþëjimas, didëjant
átampai, yra pasekmë stimuliuoto fononais tuneliavimo, kuris yra pagrindinis
krûvio perneðimo per Ðotkio barjerà mechanizmas, esant atgalinei átampai.
IV skyrius
Tuneliniø procesø vaidmuo elektroliuminescencijos suþadinime
Plonø elektroliuminescuojanèiø plëveliø ðvytëjimas, gaunamas ájungus
þadinanèià átampà, yra rezultatas visos eilës procesø, vykstanèiø aktyviame
sluoksnyje (liuminofore), ið kuriø galima iðskirti laisvujø krûvininkø generacijà
ir jø pagreitinimà elektriniu lauku iki energijø, pakankamø ðvytëjimo
centrø smûginiam suþadinimui. Literatûriniuose ðaltiniuose teigiama, kad EL
skaisèio augimà, didëjant temperatûrai, gali sàlygoti pirminiø elektronø generacijos
greièio didëjimas, augant temperatûrai.
12

4.1 skirsnyje pateikta EL skaisèio B priklausomybë nuo átampos ir temperatûros
Al-n/GaP ir Al-n/GaP:S dariniuose. GaP diodø ðvytëjimo skaisèio priklausomybë
nuo átampos ir temperatûros turi panaðià eigà, kaip ir srovës stiprio
priklausomybë nuo tø paèiø parametrø. Gavome gerà skaisèio temperatûriniø
priklausomybiø sutapimà su tuneliavimo tikimybe, gauta remiantis daugiafononinio
tunelinio proceso stipriame elektriniame lauke teoriniu modeliu.
GaP:S struktûrø B(U) priklausomybëms bûdingas didelis kreiviø statumas
(jis negali bûti paaiðkintas tuneline teorija) ir ásotinimas, atsirandantis esant
aukðtoms átampoms.
4.2 skirsnyje pateikiami eksperimentiniai SrS:Ce liuminoforo skaisèio priklausomybës
nuo þadinanèios átampos ir temperatûros duomenys. Tirtø struktûrø
EL skaisèio priklausomybës nuo átampos amplitudës, iðmatuotos skirtingose
temperatûrose, parodytos 6 paveiksle. Stebimà B(U) formà galima paaiðkinti
tuo, kad EL suþadinti reikalingi elektronai tiekiami ið dviejø skirtingo gylio
centrø. Þemesnëse temperatûrose B(U) charakteristikoms átakos turi maþesnio
gylio centrai. Gilûs centrai turi lemiamà átakà B(U) charakteristikai aukðtesnëse
temperatûrose. Tai patvirtina B(U) lyginimas su W(F) priklausomybëmis. Tuneliavimo
tikimybæ, nustatytà pagal (1) formulæ 0,55 eV gylio centrui, vaizduoja
iðtisinës 1 ir 3 linijos ir 1,0 eV gylio centrui – 2 linija. Ið 6 paveikslo matyti, kad
teorinës kreivës gerai derinasi su eksperimentiniais taðkais.
Tirtose struktûrose stebimas ryðkiai iðreikðtas elektrofotoliuminescencijos
efektas, kuris pasireiðkia tuo, kad UV ðviesa apðviestà bandiná paveikus átampos
impulsu, gaunamas ðviesos blyksnis, daug kartø virðijantis blyksnio dydá,
kai bandinys nebuvo apðviestas UV ðviesa. Tokio blyksnio atsiradimo prieþastis
yra ta, kad apðvietus bandiná, gaudyklës yra uþpildomos elektronais. Prijungus
6 pav. EL skaisèio B priklausomybë nuo
átampos SrS:Ce (0,1mol%) bandiniams
skirtingose temperatûrose: 1 - 293 K,
2 - 420 K, 3 - 160 K. Iðtisinës linijos
vaizduoja teorinæ W(F) priklausomybæ,
apskaièiuotà parametrams: m*=0,43 m e ,
a= 4, hw=0,043 eV, D=0,55 eV kreivëms 1,
3 ir D=1,0 eV kreivei 2.
13

þadinanèià átampà, tos gaudyklës yra iðtuðtinamos, jas jonizuojant elektriniu
lauku. Laisvieji elektronai, pagreitinti elektriniu lauku, smûginiu bûdu suþadina
ðvytëjimo centrus. Ið EL blyksnio gesimo buvo iðmatuotas relaksacijos laikas
t, kuris charakterizuoja laikà, per kurá blyksnio amplitudë sumaþëja e kartø.
Atvirkðtinë jo reikðmë 1/t lygi elektrono iðlaisvinimo ið gaudykliø tikimybei
[14]. Eksperimentiðkai nustatytos 1/t dydþio priklausomybës nuo temperatûros
ir átampos. 1/t priklausomybë nuo átampos palyginta su teorine W(F,T) priklausomybe,
apskaièiuota pagal formulæ (1). Gautas geras teoriniø W(F,T) priklausomybiø
sutapimas su eksperimentinëmis 1/t vertëmis. Reikia paþymëti, kad èia
gautos W atitinka iðlaisvinimo tikimybes lauku, kadangi terminio iðlaisvinimo
tikimybë bus þymiai maþesnë. Lauko stipris ðiuo atveju yra ( 4-8 )x10
14
7 V/m
(manoma, kad delokalizacija vyksta Ðotkio barjere, kuriame maksimalus lauko
stipris proporcingas kvadratinei ðakniai ið prijungtos átampos).
Priede pateiktos tirtø Al-Ta O -p/Si struktûrø, turinèiø þymiai didesnio
2 5
storio oksidus, negu ankðèiau nagrinëjome, srovës stiprio priklausomybës nuo
átampos ir temperatûros.
Struktûra metalas-oksidas-puslaidininkis gaminta Puslaidininkiø fizikos institute.
Jos pagrindà sudarë p-tipo silicio plokðtelës, aktyvuotos boru, tokiø parametrø:
pavirðiaus orientacija (111), krûvininkø koncentracija N=20 x1016 cm-3 ,
savitoji varþa (0,92-1,1) W m. Ant plokðtelës uþgarinamas tantalas, kurio storis 0,1
ir 0,5 µm. Tantalas oksiduojamas deguonies aplinkoje. Ant oksido pavirðiaus uþgarinti
Al kontaktai (elektrodas) 0,5 mm skersmens. Ominis kontaktas, kitoje silicio
plokðtelës pusëje, uþneðamas garinant Al vakuminiu bûdu.
Srovës stiprio priklausomybës matuotos, esant neigiamam ir teigiamam átampos
þenklui ant Al elektrodo. Gautas srovës stiprio priklausomybes nuo temperatûros
negalima paaiðkinti, remiantis Poole-Frenkelio arba Schottky mechanizmais
[15]. Pagal ðias teorijas temperatûrinës priklausomybës vaizduojamos tiesëmis,
kuriø polinkis maþëja, stiprinant veikiantá elektriná laukà. [16] darbe tokios
priklausomybës, gautos SiO plëvelëse, aiðkinamos remiantis prielaida, kad
laisvieji elektronai atsiranda, jiems tuneliuojant ið pagavimo centrø per barjerà,
esant stipriam elektriniam laukui, dalyvaujant gardelës fononams. Manome, kad
pagrindiná vaidmená krûvininkø perëjimuose tose temperatûrose vaidina optiniai
fononai. Elektrono efektinës masës vertë 0,35 m [17]. Centrø gylis buvo
e
ávertintas ið srovës stiprio priklausomybës nuo temperatûros kreiviø polinkio,
esant maþoms átampø vertëms ( jis yra 0,8 eV). Gautas geras eksperimentiniø
duomenø sutapimas su teoriniais skaièiavimais. Krûvininkø ðaltiniu gali bûti Sioksidas
ir oksidas-metalas sandûroje esanèios elektroninës bûsenos. Registruojant
nuolatinæ srovæ, reikia turëti omenyje, kad bûsenos, bûdamos elektronø
ðaltiniais, pastoviai uþpildomos elektronais ið elektrodø.
Priede dar palyginti [18] darbe pateikti struktûrø metalas-SiO - Si matavimø
2
duomenys su mûsø darbe naudoto teorinio modelio duomenimis. Palyginimas
parodë pakankamai gerà eksperimentiniø matavimø ir teorinio modelio sutapimà.

PAGRINDINËS IÐVADOS
1. Nustatyta, kad srovës stiprio temperatûrinës priklausomybës tirtose struktûrose
turi termoaktyvaciná pobûdá. Esant maþoms atgalinës átampos vertëms,
priklausomybë lnI(1/T) yra tiesinë. Ið gautø priklausomybiø tiesiniø daliø nustatyta
terminës aktyvacijos energija. Ji gauta: Al-n/GaP - 0,64 eV; Al-n/GaP:S
- 0,68 eV; Al-SiO -n/Si - 0,6 eV, Al-SiO -n/GaAs - 0,5 eV; Al-p/InP - 0,75eV
2 2
(T>280 K) ir 0,51eV (T280 K)
ir silpnesniø laukø atveju dominuoja Frenkelio mechanizmas.
6. Nustatyta, kad plëvelinëse sandarose su SrS:Ce liuminoforu EL skaisèio
priklausomybæ nuo suþadinanèio lauko stiprio lemia pirminiø laisvøjø krûvininkø
generacijos procesas, kurio mechanizmas yra tuneliniai ðuoliai, dalyvaujant
gardelës fononams. Eksperimentiðkai stebimà B(U) priklausomybæ lemia
dviejø gyliø centrai: aukðtesnës nei kambario temperatûros srityje pagrindinis
elektronø ðaltinis yra gilûs centrai (1,0 eV), o þemesnës temperatûros
srityje - maþesnio gylio (0,55 eV) centrai.
7. Elektronø iðlaisvinimo tikimybiø priklausomybës nuo temperatûros ir átampos,
nustatytos ið EL blyksnio relaksacijos, tirtose plëvelinëse struktûrose sutampa
su teoriðkai apskaièiuotomis elektronø iðlaisvinimo tikimybiø W(T,F) vertëmis.
8. Nustatyta, kad fononais stimuliuotas krûvininkø tuneliavimo mechanizmas
paaiðkina srovës stiprio voltamperines charakteristikas ir jø temperatûrines
variacijas Ta O ir SiO plëvelëse.
2 5 2

Disertacijos tema paskelbti straipsniai:
1. Ð.Ñ. Áðàçèñ, Ï.À. Ïèïèíèñ, À.Ê. Ðèìåéêà, Â.À. Ëàïåéêà.
Òóííåëèðîâàíèå â áàðüåðàõ Al-n-GaP ïðè íàïðÿæåíèÿõ îáðàòíîãî
ñìåùåíèÿ. ÔÒÏ, 20, 1716-1718 (1986).
2. Ð.Ñ. Áðàçèñ, Ï.À. Ïèïèíèñ, À.Ê. Ðèìåéêà, Â.À. Ëàïåéêà. Âîëüòàìïåðíûå
õàðàêòåðèñòèêè è ýëåêòðîëþìèíåñöåíöèÿ äèîäîâ
Al/n-GaP ïðè íàïðÿæåíèÿõ îáðàòíîãî ñìåùåíèÿ. Ëèò.Ôèç.Ñáîð.
28, 351-357 (1988).
3. R. Brazis, P. Pipinys, A. Rimeika, V. Lapeika. Electron transport in Ta O 2 5
films. Journal of materials science letters. 9, 266-267 (1990).
4. Ï. Ïèïèíèñ, Â. Ëàïåéêà, À. Ïèïèíåíå, À. Ðèìåéêà. Óðîâíè çàõâàòà
â ïëåíî÷íûõ ýëåêòðîëþìèíîôîðàõ íà îñíîâå ùåëî÷íîçåìåëüíûõ
ñóëüôèäîâ è èõ âëèÿíèå íà ýëåêòðîëþìèíåñöåíòíûå õàðàêòåðèñòèêè.
Lietuvos fizikos þurnalas, 34, 512-518 (1994).
5. Ï.À. Ïèïèíèñ, Â.À. Ëàïåéêà, Î.Í. Ñîîçàðü. Ýëåêòðîëþìèíåñöåíöèÿ
è ýëåêòðîôîòîëþìèíåñöåíöèÿ òîïêîïëåíî÷íûõ èçëó÷àòåëåé íà
îñíîâå SrS:Ce. Æóðíàë ïðèêëàäíîé ñïåêòðîñêîïèè, 62, 135-141
(1995)
6. P. Pipinys, A. Rimeika, V. Lapeika. On the current transport mechanism in
metal-silicon dioxide-silicon structures. Lietuvos fizikos þurnalas, 36, 67-
72 (1996).
7. Ï. Ïèïèíèñ, À. Ïèïèíåíå, À. Ðèìåéêà, Â. Ëàïåéêà. Òåìïåðàòóðíàÿ
çàâèñèìîñòü îáðàòíîãî òîêà â Al-p-InP äèîäàõ. Lietuvos fizikos
þurnalas, 38, 547-551 (1998).
8. Ï.À. Ïèïèíèñ, À.Ê. Ðèìåéêà, Â.À. Ëàïåéêà. Òåìïåðàòóðíàÿ
çàâèñèìîñòü îáðàòíîãî òîêà â äèîäàõ ñ áàðüåðîì Øîòòêè. ÔÒÏ,
32, 882-885 (1998).
9. P. Pipinys, V. Lapeika. Comment on “ modelling of trap-assisted electronic
conduction in thin thermally nitrided oxide films” by H.Wong and
YC. Cheng. Solid-State Electronics, 43, 1963-1965 (1999).
10.Ï.À. Ïèïèíèñ, À.Ê. Ðèìåéêà, Â.À. Ëàïåéêà, À.Â. Ïèïèíåíå.
Ìåõàíèçì îáðàòíîãî òîêà â äèîäàõ ñ áàðüåðîì Øîòòêè Al/p-InP.
ÔÒÏ, 35, 188-194 ( 2001).
16

SUMMARY
The introduction motivates the topicality and novelty of the research. The
aim of the research is to establish the mechanism of charge transport in metalsemiconductor
and metal-oxide-semiconductor structures in the presence of
the Schottky barrier.
In Chapter One we analyse the existing papers on the research of the Schottky
mechanism, and the main theoretical models of charge transfer with the barrier
are being presented. On the basis of the analyzed literature conclusions are
made about the suitability of the models for analyzing the dependence of the
reverse current on voltage and temperature.
In Chapter Two we describe the technology of preparing samples, the
research methods and the equipment which has been used for experiment.
In Chapter Three and Four we analyse the experimental data. In Chapter
Three the experimental data on the dependence of the reverse current on voltage
and temperature in the analyzed structures are presented and the obtained
dependences are compared with a theoretical model of an electron-tunneling
from a deep centres assisted by phonons. At the begining of the chapter the
experimental data on the dependence of current strength on the reverse voltage
and temperature in Al-n/GaP, Al-n/GaP:S structures are discussed. These
structures are characterised by the reverse current having a strong dependence
on temperature at low reverse voltage values. The experimental data are compared
with the theoretical W(F,T) probabilities. We assume that the current
flowing through the barrier is proportional to the tunneling probability and
that none of the electrons that tunnel from their energy level into conduction
band are scattered, or recombined, before they leave the barrier region of the
semiconductor. The experimental data are in good agreement with the theoretical
probability.
In Chapter Three we discuss the temperature and current-voltage dependence
on structures Al-SiO -n/Si, Al-SiO -n/GaAs and Al - n/GaAs with its own
2 2
oxide with the reverse voltage being switched on. The current dependence on
temperature for different reverse voltages have been measured. The mentioned
current strength had a thermoactive character and the energies of activation
were 0,5-0,6 eV. In the mentioned structures at low voltage values the dependence
lnI (1/T) was linear. At higher voltages the plots of lnI=f(1/T) deviate
substantially from straight lines because of the weaker temperature dependence
of the current at low temperatures. The obtained dependences may be
explained by the model according to which the source of charge carriers was
the electronic state in the junction of oxide-semiconductor. Electrons enter the
conduction band of the semiconductor as a result of phonon-assisted tunnel-
17

ing from these levels. On this basis we have compared the experimental temperature
dependences of the current with the temperature dependence of the
tunneling probability calculated to the quantum-mechanical theory of phononassisted
tunneling. The obtained experimental I(T) is in a good agreement with
the theoretical W(T) dependences.
The field strength in the Schottky barrier and density of surface electron
states in the interfacial layer of the semiconductor are estimated by comparing
the experimental results with a tunneling theory.
In the last part of the chapter the experimental research data of the current
dependences on temperature and reverse voltage for p/InP diode current are
given. I-V characteristics have got a strongly expressed temperature dependence.
The slope of the curves decreases as temperature increases. The temperature
dependence of the current at different reverse bias voltages are explained by the
model according to which the holes tunnel from the states in the metal-semiconductor
boundary to the valence semiconductor band. After the analysis of the
measurement data it was shown that the tunneling mechanism is prevailing in
the region of strong fields and low temperature while in a weaker fields and at
higher temperature the Frenkel emission is dominating. It has been observed that
the energy of activation decreases when the values of applied voltage are
increased. The observed dependences of barrier height on the voltage determined
from I(T,U) characteristics by the phonon stimulated tunneling mechanism.
In Chapter Four we describe the excitation mechanism of electroluminescence
(EL). It is followed by a description of the dependence of brightnes on
voltage and temperature in the Al-n/GaP and Al-n/GaP:S structures. The dependence
of the brightness of the glow of the GaP diodes on voltage and temperature
has a similar shape as the dependence of the current strength on voltage and
temperature. It is following investigation analyse the experimental dependence
of brighness EL of luminophor SrS:Ce on exciting voltage and temperature. In
these luminophors an illuminated sample by UV light acted on the voltage
impulse gives a high intensity light flash. The analysis of the kinetics of the
flashes allowed us to determine the realease of electron from traps probability
which is compared with the theoretical values.
In the Appendix we discuss the mechanism of charge transfer in Ta 2 O 5
films. Here are given the I-V characteristics and the dependences of the current
strength on the temperature. The obtained experimental dependences are compared
with a theoretical model.
18

MAIN CONCLUSIONS
1. It has been established that the current strength dependences on temperature
in the structures under analyses have a thermoactive character. At low
reverse voltage values the dependence lnI (1/T) is linear. The following energies
of thermal activation have been established from the linear part of the obtained
dependences: Al-n/GaP – 0,64 eV; Al-n/GaP:S - 0,68 eV; Al-SiO -n/Si - 0,6 eV,
2
Al-SiO -n/GaAs - 0,5 eV; Al-p/InP - 0,75eV ( T>280 K) and 0,51eV (T280 K) and a weaker fields the Frenkel mechanism is dominating.
6. It has been established that in the film structures with SrS:Ce luminophor
the dependence of EL brightness on excitating field strength is determined by
the process of the generation of primary free electrons the mechanism of which
being the phonon-assisted electron tunneling. The experimentally observed
dependence B(U) is determined by two centres of different depths: in the region
a higher than room temperature the main source of electrons is deep
centres of 1,0 eV depth, and at a lower temperature the shallow centres of
0,55 eV depth.
7. Dependences of the electron release probabilities on temperature and
voltage determined from the relaxation of the EL flash in the analyzed film

structures are in agreement with the theoretically calculated electron release
probability values W(T,F).
8. It is established that the phonon-assisted charge tunneling mechanism
explains as well the volt-amperic characteristics of current strength and their
temperature variation in Ta 2 O 5 and SiO 2 films.
20
Santraukoje panaudota literatûra
1. R. Brazis , P. Pipinys , A. Rimeika , L. Gëgþnaitë. Solid - State Commun., 55,
25 (1985).
2. C. R. Crowel, S.M. Sze. Solid - State Electron., 9, 1035 (1966).
3. F. A. Padovani, R. Stratton. Solid - State Electron., 9, 695 (1966).
4. C. R. Crowell, V.L. Rideout. Solid - State Electron., 12, 89 (1969).
5. Ching-Yuan Wu. J. Appl. Phys., 53, 5947 (1982).
6. K. Maeda, I. Umezu, H. Ikoma, T.Yoshimura. J. Appl. Phys., 68, 2858 (1990).
7. À. Í. Êîðîëü, Â.È. Ñòðèõà, Ä.È. Øåêà. ÔÒÏ, 14, 80 (1980).
8. Þ. À. Ãîëüäáåðã, Ò.Â. Ëüâîâà, Á. Â. Öàðåíêîâ. ÔÒÏ, 15, 2339 (1981).
9. Ô. È. Äàëèä÷èê. ÆÝÒÔ, 74, 472 (1978).
10. Ñ. Ì. Çè. Ôèçèêà ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ïðèáîðîâ. Êí. 1, Ìèð,
Ì., ñ.455, (1984).
11. Ð. Í. Ëèòîâñêèé, Â.Ñ. Ëûñåíêî, À.Í. Íàçàðîâ Ò.Å. Ðóäåíêî.
Ìèêðîýëåêòðîíèêà, 16, 427 (1987).
12. ß. È. Ôðåíêåëü. ÆÝÒÔ, 8, 1292 (1938).
13. A. Singh, P. Cova, R. A. Masut. J. Appl. Phys., 76, 2336 (1994).
14. P. Pipinys, A. Rimeika, A. Kiveris. Phys. Stat. Sol.(a), 87, K89 (1985).
15. S. Ezhilvalavan, Tseung-Yuen Tseng. J. Appl. Phys., 83, 4799 (1998).
16. R. Brazis, P. Pipinys, A. Rimeika. Phys. Stat. Sol.(a), 83, K69 (1984).
17. P. L. Young. J. Appl. Phys. 47, 235 (1976)
18. B. L. Yang, H. Wong, Y.C. Cheng. Solid-State Electron., 39, 385 (1996).
VYTAUTAS LAPEIKA
TERMOSTIMULIUOTAS KRÛVININKØ GENERAVIMAS STIPRIAME
ELEKTRINIAME LAUKE, ESANT ÐOTKIO BARJERUI
Daktaro disertacijos santrauka
Fiziniai mokslai, fizika,kondensuotosios medþiagos (P260)
Tir. 50 egz. 1,25 sp.l. Uþsakymo Nr. 97
Iðleido Vilniaus pedagoginis universitetas, Studentø g. 39, LT-2004 Vilnius
Maketavo ir spausdino VPU leidykla, T. Ðevèenkos g. 31, LT-2009 Vilnius
Kaina sutartinë