Введение к работе
Актуальность темы.
В настоящее время в качестве элементной базы микроэлектроники значительное место занимают МДП-структуры, в частности с многослойной подложкой (содержащей р-п-переход). МДП-п-р-структуры интересны тем, что наличие в них взаимодействующих пространственных неоднородностей (р-п-переходы в подложке, барьеры диэлектрик-полупроводник и металл-диэлектрик) приводит к возникновению ряда динамических эффектов - колебаний области пространственного заряда, шнуров тока в диэлектрике, поверхностно-барьерной неустойчивости тока. Ведущая роль в возникновении таких эффектов принадлежит процессам накопления и рассасывания заряда на ловушках и в свободном состоянии на поверхности полупроводника в МДП-п-р-структуре. Поэтому исследование влияния кинетики процессов генерации, накопления и рекомбинации носителей заряда на развитие неустойчивости тока, приводящей к появлению указаных выше эффектов, представляется актуальной и важной задачей.
Известно, что наиболее сложные явления, к которым относится возникновение поверхностно-барьерной неустойчивости тока (ПБНТ) в МДП-п-р-структуре, реализуются на границе раздела ДП с участием поверхностных состояний (ПС). На основе анализа имеющихся к настоящему времени работ, в которых рассматривается влияние параметров ПС на появление неустойчивости тока в МДП-структуре, трудно конкретизировать процессы, ответственные за установление и поддержание ПБНТ, проявляющейся как возбуждение колебаний тока и емкости. Для использования М ДП-структур в устройствах микрэлектроники необходимо теоретическое и экспериментальное исследование влияния процессов генерации, накопления, рекомбинации носителей заряда с участием поверхностных состояний на формирование неустойчивости тока при различных внешних воздействиях: с изменением температуры, освещенности, после у-облучения. Кроме того, необходима информация о механизме прохождения тока, начальном состоянии поверхности, области пространственного заряда, плотности и знаке поверхностных состояний, влиянии типа легирования положки при разработке функциональных устройств, в основе работы которых лежат эффекты генерации нелинейных колебаний в МДП-структуре.
Цель работы:
—установление влияния особенностей процессов прохождения, накопления, релаксации заряда в МДП-структуре с р-п-переходом в подложке при изменении температуры, освещенности, после у-облучения, а также изучение взаимосвязи параметров границы раздела ДП, типа подложки и возникновения нелинейных колебательных режимов в этих структурах.
Для достижения поставленной цели проводилось комплексное исследование свойств МДП-структур:
-
Изучение механизма токопрохождения в МДП-структурах с окислами редкоземельных элементов (ОРЗЭ) в качестве диэлектрика и неоднородно легированной подложкой.
-
Экспериментальное исследование эффекта генерации релаксационных колебаний в зависимости от электрофизических свойств МДП-структур с неоднородно легированной подложкой (Si-n+-p) и различными диэлектриками: Lu203, Tb203, Gd2OrИсследование влияния частоты приложенного напряжения на динамику тока, протекающего через МДП-п+-р-структуру в режиме генерации релаксационных колебаний, с целью выявления новых колебательных режимов и возможностей управления ими.
-
Исследование влияния процессов релаксации на возникновение динамических колебательных режимов в МДП-структуре, соединенной последовательно с индуктивностью, в зависимости от различных факторов — температуры образца, уровня освещенности, у-облучения, а также свойств МДП-структуры—типа подложки, материала диэлектрика.
-
Теоретическое обоснование возможности определения параметров границы раздела диэлектрик-полупроводник на основе анализа нелинейных колебательных режимов в системах с МДП-структурой.
Научная новизна.
Проведено целенаправленное исследование электронных процессов, ответственных за установление поверхностно-барьерной неустойчивости тока в МДП-п+-р-структуре. Исследованы динамические характеристики МДП-п+-р-структур в режиме генерации релаксационных колебаний—частоты и амплитуды колебаний в зависимости от напряжения смещения, температуры, освещенности образца.
Впервые обнаружен и исследован эффект возбуждения нелинейных
колебаний в МДП-структуре с п+-р-переходом в подложке при приложении переменного напряжения, что проявляется как возникновение в спектре мощности субгармоник частоты, кратной частоте внешнего напряжения.
Экспериментально обнаружена и теоретически объяснена связь между возникновением колебательных режимов и соотношением скоростей эмиссии, захвата электронов поверхностными состояниями и скоростью накопления инжектированных п+-р-переходом дырок на поверхности кремния.
Предложена модель, объясняющая возникновение нелинейных колебаний в МДП-п+-р-структуре как результат инерционности процесса перезарядки поверхностных состояний в переменном поле при периодической модуляции высоты барьера кремний-ОРЗЭ.
Экспериментально обнаружено и исследовано возникновение нелинейных колебаний в МДП-структуре с различными диэлектриками и типами подложек, последовательно соединенной с индуктивностью, при внешнем периодическом воздействии в широком диапазоне освещенностей, температур, после у-облучения. На основе анализа диаграмм колебательных режимов и сведений об электронных процессах структуре, полученных с помощью вольт-амперных (ВАХ), вольт-фарадных (ВФХ), вольт-сименсных (ВСХ), переходных характеристик, метода релаксационной спектроскопии глубоких уровней (РСГУ), показано, что особенности генерации нелинейных колебаний обусловлены участием в процессе релаксации заряда на границе раздела диэлектрик-полупроводник поверхностных состояний, имеющих различное распределение по энергии и временам релаксации.
Практическая значимость.
В настоящей работе основное внимание уделялось исследованию структур кремний-диэлектрик, широко применяемых в современном полупроводниковом приборостроении. Изучение особенностей формирования динамической неоднородности заряда, приводящей к появлению токовых неустойчивостей — переключения, генерации периодических и хаотических колебаний, важно при использовании МДП-структур в качестве таких элементов твердотельной электроники, как би- и мультистабильный триггер, релаксационный генератор с параметрическим управлением, компаратор.
Показана возможность оценки соотношения скоростей процессов захвата, эмиссии электронов поверхностными состояниями (ПС) и накопления необходимой для установления ПБНТ концентрации дырок в поверхностно-барьерном переходе
на основе построения модели, адекватно описывающей экспериментально наблюдаемые нелинейные эффекты. Значимость такого подхода следует из того, что при приложении переменного напряжения достаточно большой амплитуды внешнего напряжения приповерхностная область пространственного заряда (ОПЗ) находится в термодинамически неравновесных условиях, когда прямые измерения параметров границы раздела диэлектрик-полупроводник методами, основанными на малосигнальном приближении, неприменимы.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Различие времен переходного процесса до и после переключения МДП-
структуры с многослойной подложкой обусловлено сменой механизма релаксации
заряда. До переключения время релаксационного процесса определяется
рекомбинацией и захватом на поверхностные состояния, после переключения —
переносом дырок, туннелирующих через диэлектрический слой.
-
Экспериментально установленная немонотонная зависимость амплитуды релаксационных колебаний в МДП-п+-р-структуре от напряжения смещения объясняется уменьшением объемного времени жизни неосновных носителей заряда вследствие увеличения скорости рекомбинации в условиях инверсии в приповерхностной п+-области.
-
Основным фактором, определяющим возникновение нелинейных колебаний в МДП-структуре, является зависимость эффективного времени релаксации неравновесных носителей заряда от параметров поверхностных состояний—их энергетического положения, плотности, сечений захвата.
Эффект деления частоты, то есть появление колебаний тока в образце с частотой f=ff/n, где /0 - частота приложенного гармонического напряжения, п =1,2,3..., обнаруженный в МДП-п+-р-структуре, обусловлен частотной зависимостью скорости процесса перезарядки поверхностных состояний. Колебательные режимы возникают при частотах приложенного напряжения, сравнимых с периодом собственных релаксационных колебаний, и обусловлены "затягиванием" процесса накопления концентрации дырок на поверхности кремния, необходимой для заполнения поверхностных состояний и установления положительной обратной связи по току.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались на Конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения" (Саратов, 1996), Российской
конференции "Проблемы фундаментальной физики"(Саратов,1996), Международной научно-технической конференции "Диэлектрики-97" (Санкт-Петербург, 1997), International Specialist Workshop"Nonlinear Dynamics of Electronic System", NDES-97 (Moscow, 1997), International Specialist Workshop"Nonlinear Dynamics of Electronic System", NDES-98 (Hungary, Budapest, 1998)
Личный вклад соискателя. Тема и направление исследований предложены автором. Автором самостоятельно выполнены представленные в диссертационной работе экспериментальные исследования, создание модели, а также проведен анализ результатов.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 научных работ, перечисленных в конце автореферата.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, содержит 112 страниц машинописного текста, 50 рисунков, 3 таблицы, в списке литературы 117 наименований. Общий объем диссертации 156 с.
