Введение к работе
Актуальность работы. Дальнейшее развитие микроэлектроники ведет к уменьшению раз?,геров базовых элементов интегральных микросхем. При этой, очевидно, что в скорой времени при создании элементов микросхем п приборов панокстрового размера необходимо будет более точно учитывать особенности электронного строения элементов. В то же время в ванометровых элементах возможны как специфические квантовые 'явления (например, тункелированне), так и явления проявляющиеся- в макромасштабе лишь для узкого круга систем (отрицательное дифференциальное сопротивление).
Контакт "металл — полупроводник* является одним из важнейших элементов микроэлектроника. В зависимости от выбора металла и полупроводника возможно получить как омический контакт, так я выпрямляющий, в котором коентедш заряда необходимо преодолеть потеицкхлькый барьер, образованный искривлением зон в полупроводнике (так называемый барьер Шоттки). В предлагаемой работе заяманиз скопцентр!фе«аї?о па выпрямляющих границах раздела, так как в этом случае особенно важчі утэт микроскопических явлении на границе..
Важнейшей характеристикой барьера Шотгки является его высота фв. -Наиболее актуальной проблемой iza,u с эксперимента.-млой, так я с тсхнаотгетескоя точек зрения яэяяется создание контакта "металл — полупроводник" с определенной ссличнпой барьера Шот-тки, а также создаппз систем в которых можно было бы платою изменять высоту барьера з определенных пределах при изменении технологии изготовления контакта! Из существующих способов наиболее практически доступным является метод Шснкояа, в котором высотой барьера Шоттки управляют, создавая енльнологировпьиын приграничный слой полупроводника при помощи ионной имплантации атомов примеси. Для уменьшения эффективной величины барьера приграничный слон легируется примесью того же типа, что и объем, а для увеличения эффективной величини барьера —- примесью противоположного типа. Высота барьера Шоттки линейно яншк-нт от величины поверхностной концентрации (при постоянной оГУьемшш
концектрации) в достаточно широких пределах.
Существует ряд теоретнческі.с моделей форьшрогакоа барьера Шоттки и процессов происходящих в зове барьера. Как правило, они достаточно хорошо описывают определенный класс систем "металл — полупроводник", но при изменении либо одной из частей системы (чаще полупроводника), либо условий изготовления контакта дают неверные оценки величины барьера. Отсугсчше единой теории барьера Шоттки и трудности в определении электронной структуры границы раздела "металл — полупроводник" экперимэнталь-чымн методами выдвигает на первое место кеэмвнраческие расчетные методы.
Как известно, существует два обширных класса неэмпирических расчетных методов: зонные, применяемые в основном для твердотельных расчетов, и кластерные, используемые, чаще в квантовой химии. Использование зонных методов в физике твердого тела опирается на наличие трансляционной симметрии в объемном кристалле. Применение зонных методов для расчетов электронного строения поверхностей и границ раздела, как правило, пенользует метод пластин. При этом задаваемая искусственно периодичность а направленна перпендикулярном к поверхности (границе раздела сред) может привести к появлению ложных состояний. Кроме того,' расчет ряда систем (наличие атома примеси в полупроводниковой части си-стемы) провести весьма затруднительно, а в некоторых случаях и невозможно. Кластерные неэмпирические методы свободны от этих недостатков. Они максимально подходят для учета слияния примесей и дефектов кристаллической решетки. Единственной серьезной, хотя и разрешимой трудностью в кластерных расчетах является правильный выбор кластера н учет граничных условий.
Цель работы состояла в исследовании формирования барьера Шоттки и особенностей электронного строения границы раздела "металл — кремний" на примере систем Al/Si(lll) и Au/Si{lll).
Задачи исследования:
~ Изучение шпала процесса формирования барьера Шоттки и стабилизации урввня 'йгрми при субмонослойных покрытиях.
Исследование зависимости электронной структуры системы и высоты барьера Шоттки от геометрии границы раздела.
Изучения влияния размерного эффекта на характеристики системы.
Изучение влияния примеси па электронное строение системы п изменение высоты барьера Шоттки.
Научная новизна. В работе впервые методом функционала локальной электронной плотности в кластерном подходе рассчитано электронное строение области границы раздела ряда систем "металл — кремпий" н изучены особеппости формирования барьера Шоттки з зависимости как от геометрии границы раздела, так и от атомов примеси, расположенных вблизи границы раздела. Показано, что при начальной стадии формирования граница раздела (система "адатом металла— Si(lll)"} положение уровня фермп по отношению к краю валентной зопы зависит от места адсорбции адатоиа на поверхности, и, таким рбразоі,{, иозеет быть объяснено изменение положения урозня Ферми при различных субмокослойкых покрытиях. Выяснена возможность образования барьера Шоттки при контакте си-лицидсподобнего соединения Au
Практическая ценность. Рассмотренные в работе вопросы имеют фундаментальное значение для проникания электронной структуры границы раздела "металл — кремпий" и процесса формирования барьера Шоттки.
Проведсчадые расчеты показывают возможность ил .только описывать явления вблизи границы раздела "металл - кремний", но и предсказывать величину барьера системы.
Апробация работы. Основные» результаты роботы докладывались и обсуждались ни: Первой международной конференции но фи-
зике ннзкоразмерных структур (Черноголовка, 1993 г,), Третьем международном симпозиуме по ітомиой слоевой эпитаксии (Сен-даи, Япония, 1993 г.), Первом Российско-Японском семинаре по поверхностям полупроводников (Владивосток, 1993 г.), Втором Японско-Российском сеьшнаре по поверхностям полупроводников (Осака, Япония, 19^5 г.), Тихоокеанской международной конференции "Математическое моделирование и криптография" (Владивосток, 1995 г.), а также на Восемнадцатом международном семинаре До физике поверхности (Поляпица Здруй, Польша, 1898 г.). Всего по теме диссертации опубликовало 10 печатных работ. Автор представляет к защите:
а Изучение начальной стадии формирования барьера Шотткп и стабилизации уровня Ферми при субмонослойных покрытиях.
в Кластерное моделирование электронной структуры системы : металл - полупроводник".
« Исследование зависимости высоты барьера Шоттки от геометрии границы раздела.
Исследование влияния приграничной примеси на электронное строение системы и изменение высоты барьера Щоттки.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка цитируемой литературы, включающего 122 наименования. Общий объем диссертации составляет 145 страниц, в том числе 7 таблиц, 42 рисунка.
