Глубокие примесные центры

В отличие от мелких донорных и акцепторных примесей, которые создают уровни вблизи краев запрещённой зоны и легко ионизируются при комнатных температурах, глубокие примесные центры формируют энергетические уровни значительно глубже в запрещённой зоне полупроводника. Такие центры требуют гораздо большей энергии для ионизации и, следовательно, оказывают сильное влияние на электрические, оптические и рекомбинационные свойства материала.

Основная причина появления глубоких уровней связана с нарушением локальной электронной структуры кристалла при внедрении примеси, а также с различием в химической природе атомов. В ряде случаев глубокие центры возникают не только из-за замещения атома решётки, но и вследствие образования сложных комплексов — например, примесь + вакансии или примесь + собственный дефект.

Энергетическая позиция глубоких уровней

Глубокие центры характеризуются положением уровня внутри запрещённой зоны. В отличие от доноров и акцепторов, у которых уровни находятся на расстоянии порядка 0,01–0,05 эВ от края зоны, глубокие уровни могут лежать на глубине до 0,3–0,6 эВ и более.

Донорно-подобные глубокие уровни располагаются ближе к середине запрещённой зоны, но выше уровня Ферми, и в основном захватывают электроны.
Акцепторно-подобные глубокие уровни находятся ниже уровня Ферми и захватывают дырки.
В случае расположения уровня близко к середине запрещённой зоны они могут действовать как эффективные центры рекомбинации Шокли–Рида–Холла.

Таким образом, положение уровня определяет не только ионизационную способность примеси, но и скорость протекания рекомбинационных процессов в материале.

Механизм образования глубоких центров

Существует несколько основных механизмов:

Химическое несоответствие — если атом примеси значительно отличается по радиусу или валентности от атома матрицы, локальная перестройка потенциала может образовать уровень в середине запрещённой зоны.
Комплексные дефекты — объединение примеси с вакансией или межузельным атомом приводит к возникновению новых локализованных состояний.
Тяжёлые примеси переходных металлов — такие элементы, как Fe, Ni, Cr, Cu, часто формируют глубокие уровни благодаря наличию d-орбиталей, способных эффективно локализовать электроны.
Радиационные дефекты — при облучении полупроводника (нейтронами, ионами, гамма-квантами) образуются дефектные комплексы, играющие роль глубоких центров.

Влияние на электрические свойства

Глубокие примесные центры значительно понижают подвижность и концентрацию носителей заряда. Их ключевые эффекты:

Компенсация примесей — глубокие уровни могут связывать электроны или дырки, уменьшая концентрацию подвижных носителей.
Пиннинг уровня Ферми — наличие глубоких уровней стабилизирует положение уровня Ферми, препятствуя изменению проводимости при легировании.
Снижение времени жизни носителей — за счёт активных рекомбинационных процессов.

В устройствах это приводит к уменьшению эффективности транзисторов, фотодиодов и солнечных элементов, если глубокие уровни присутствуют в высокой концентрации.

Оптические проявления глубоких центров

Глубокие центры могут участвовать в:

Фотоионизации — переход электрона с глубокого уровня в зону проводимости при поглощении фотона.
Фотолюминесценции — испускании фотона при рекомбинации электрона с дыркой через глубокий центр.
Инфракрасной и субмиллиметровой абсорбции — за счёт переходов с уровня на зону и обратно.

Эти процессы позволяют экспериментально определять энергию активации глубоких уровней, их концентрацию и характер взаимодействия с решёткой.

Методы исследования глубоких центров

Для изучения глубоких уровней используют ряд экспериментальных методов:

DLTS (Deep Level Transient Spectroscopy) — метод глубокой уровневой спектроскопии, основанный на регистрации релаксации ёмкости p-n-перехода.
Фототоковые и фотопроводниковые методы — измеряют спектры фотоионизации глубоких уровней.
Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) — выявляет центры с неспаренными электронами, характерными для многих глубоких дефектов.
Люминесцентные методы — позволяют наблюдать рекомбинационные переходы через глубокие центры.

Эти методы дают возможность установить энергетическую позицию, сечение захвата, концентрацию и симметрию дефектов.

Роль глубоких центров в полупроводниковых приборах

Хотя в большинстве случаев глубокие центры считаются нежелательными, их контролируемое введение может быть полезным.

В силовой электронике (например, в диодах Шоттки и тиристорах) глубокие центры уменьшают время жизни носителей, что ускоряет процессы коммутации.
В детекторах излучения глубокие уровни определяют эффективность регистрации γ-квантов и нейтронов.
В светоизлучающих структурах глубокие центры могут вызывать специфическую люминесценцию в видимой и ИК-области.

Таким образом, глубокие уровни могут играть как разрушительную, так и функциональную роль в зависимости от конкретного применения.