Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Актуальность исследования туннельных МДП-(МОП-) структур в настоящее время бесспорна и определяется следующими обстоятельствами: созданием транзистора с туннельным МОП-эмиттером [I], получением на основе туннельных МДП-дкодов высокоэффективных фэтоприэмников, необходимостью изучения возможности уменьшения толщины подзатворногс диэлектрика в полерых транзисторах, использованием туннельной МОП-структуры как составной части более сложных приборов, в частности тиристоров.
По-видимому, главной из перечисленных причин интереса к туннельным МОП-структурам является реальность создания эффективных транзисторов с индуцированной базой [1,2]. Достоинствами последних являются их способность работать при высокой ПО3 А/см2) плотности тока, малое СКГ^с) пролетное время базы, отсутствие ограничений на миниатюризацию размэров эмиттера, а также достаточно простая технология изготовления [2,31. 3 настоящее время продолжаются попытки изготовления и оптимизации таких приборов.
В 1991 г. било обнаружено возрастание коэффициента усиления транзисторов на основе системы Al/S10g/n-Sl с ростом плотности тока за счет ударной ионизации (ожз-конизации), вызываемой инжектированными горячими электронами [2]. К названию прибора было добавлено слово охе-трзнзистор [2]. Несколько ранее внкекция горячих электронов наблюдалась в двухэлектродной МОП-структуре Ш.
Несмотря на то, что кремниевые туннельные МДП-структуры являються предметом изучения достаточно давно, целенаправленное ->ассмо-трение режимов с высоким смещением на слое диэлектрика никогда не проводилось. Часть исследователей (напр., [1,3]} вообще не придает значения тому факту, что носители инжектируются горячими, в связи с чем остается актуальной систематизация доказательств наличия инжекции горячих электронов и важности эффекта ионизации. Теория туннельных МДП-структур в настоящее время отсутствует, кроме режимов с очень малой плотностью протекающего тока [1,5].
Представляется существенным олредэление практически достижимых энергетических пределов для инжектируемых носителей и соответствующих плотностей тока. Последнее совершенно нетривиально - в чэ-
_ 4 -стностк потому, что до настоящего времени распределение тока по площади туннельного МОП-перехода вообще не изучалось.
Как это ни парадоксально, но в настоящее время отсутствуют достоверные сведения о вероятности процесса оже-ионизации (то есть ионизации, вызываемой изначально горячим носителем) в кремнии для области малых (1-2 эВ) энергий электрона [6]. Поэтому заслуживает внимания рассмотрение вопроса об использовании туннельных МОП-структур для исследования параметров еже-ионизации.
Таким образом, значительная часть требующих дальнейшего рассмотрения вопросов физики кремниевых туннельных-МОП-структур концентрируется вокруг проблемы анализа поведения таких структур в режимах с инжекцией горячих электронов. Это и определило постановку задач в настоящей работе.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Главной целью данной работы являлось систематическое исследование поводения кремниевых туннельных МДП-структур в режимах с высоким (единицы вольт) смещением на диэлектрике, а имечко: I) выявление доказательств решающей роли ияжекции горячих носителей и оже-процесса; 2) разработка аналитической модели туннельной МОП-структуры для резммов с высокой- плотностью тока, учитывающей эффект оже-ионизации; 3) изучение влияние типа и уровня легирования подложки на формирование вольт-амперных характеристик туннельных МОП-структур Al/SiOg/Si, исследование возможности наблюдения транзисторных эффектов в системе Au/CaF.,/ n-Sl:. 4) развитие методики определения (на основе обработки характеристик оже-транзистора с туннельным МОП-эмиттером) вероятности оже-ионизации в S3, как функции энергии электрона; 5) рассмотрение возможности реализации режима "точечного оже-транзистора" в системе игла сканирующего туннельного микроскопа (СТМ)- вакуумный зазор- n-Si; 6) обсуждение условий, необходимых для практического наблюдения эффекта оже-ионизации в туннельной МОП-структуре.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ. Впервые проведено детальное изучение поведения кремниевых туннельных МДП-структур при высоком смещении на диэлектрике. Обнаружен ряд новых эффектов, бистабильность и мультистаоильность транзисторных МОП-структур Al/SiOg/n- SI, выравнивание потенциала базы вдоль эмиттера, видимая электролюминесценция туннельных МОП-структур. Разработана модель туннельного МДЛ-порехода для режимов с инжекцией.горячих электронов, учитыва-
- 5 -ющая оже-эффект, которая позволила с единых позиций рассмотреть поведение различных туннельных МДП-систем ija кремнии: 4и/Саї?/п-Slf A1/S10 /n, p-Si, а такие контакта иглы СТМ с n-Si:H. Предложена новая методика измерения величины квантового выхода оке-ионизации в кремнии в области малых (1-2 эВ) энергий электрона. ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЗ НА ЗАЩИТУ.
-
В структурах Al/S102/n-Si с толщинойокисла 2-й им возможно осуществление инкекции горячих электронов в кремний с энергией до 2-3 эВ, вызывающих оке-ионизацию. Доказательствами этого являются бистабильность -и мультистабильность оже-транзистора на основе таких структур, рост коэффициента усиления по току с увеличением базового напряжения, замедленно роста и спад базового тока. Вце одним подтверждением наличия высокоэнергетичных горячих, электронов служит впервые обнаруженный в настоящей работе эффект видівлой электролюминесценции структур А1/туннелвНО-тонкий SIO /Si.
-
Оже-транзистор на основе системы Al/SI02/Si может быть получен только на n-Sl и только в диапазоне уровней легирования менее Nd= ІОіасм~3. С ростом уровня легирования диапазон коллекторных напряжений, соответствующих активному рэжиму, сужается и при N ~ 1018см_3 исчезает совсем. Оже-транзисторные эффекты (в частности, бистабильность) могут наблюдаться во всем исследованном диапазоне толщин S102 (до 20 нм), в том числе и при нэтуннельном механизме переноса заряда. У структур Au/ Cal'2/n-Sl транзисторные характеристики вообще отсутствуют.
-
Аналитическая модель туннельной МДП-структуры, учитывающая оже-эффект, позволяет предсказать основные особенности поведения обратносмещенной туннельной МОП-структуры. Распространение качественных модельных представлений на систему игла СТМ/ вакуум /n-Si позволяет интерпретировать наблюдающееся усиление фототока как эффект транзисторного усиления, а переключение 'ЛМ-контакта - как аналог бистабильности туннельной МОП-структуры. Таким образом, СТМ-контакт с пассивированной поверхностью n-Si можно считать точечным аналогом оже-транзистора.
-
Оже-транзистор может служить как базовый инструмент для исследования вероятности ож9-иони?эции в S1, вызываемой электронами с энергией Ее~1-3 эВ. Полученные значения вероятности для области EQ~I.5 эВ составляют единицы процентов и являются первыми экспе-
- 6 -римектальными данными для этой области. Со стороны больших энергий полученные результаты хорошо "стыкуются" с ранее имевшимися.
5. На практике проявления оке-эффекта в трехэлектродной структуре могут быть замаскированы другими явлениями. Чтобы избежать этого, следует не допускать значительного перекрытия базовой р+-области и области тонкого окисла и имэть в виду возможность неоднородности распределения тока по площади структуры.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ состоит в развитии единых представлений о роли инжекции горячих электронов и оже-ионизации в формировании вольт-амперных характеристик различных кремниевых туннельных ЦДЛ-структур. Систематически изучены наиболее интересные режимы работы оже-транзистора на основе системы Al/S102/n-SI-режимы с напряжением на диэлектрике в 1-3 3, в которых реально достигается сколь угодно высокое усиление. Сформулирована новая аналитическая модель туннельной МДП-структуры. Получены важные данные о вероятности оже-ионизации в кремнии. Выводы проведенной работы могут быть полезны, в частности, при решении следующих задач: интерпретации характеристик изготавливаемых туннельных МДП-структур, оптимизации туннельных МОП-структур как инжекторов горячих носителей, использовании этих инжекторов в тиристорах, даль неяшем изучении процесса релаксации энергии электронов в 31. - АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты работы по теме диссертации докладывались на Международных конференциях по твердотельным-приборам и материалам з Японии в 1993 и 1994 г., 1-й Российской конференции по физике полупроводников (Нижний Новгород, 1993), и 1-й Международной конференции по физике низкоразмерных систем (Черноголовка, 1993). Часть результатов включена в программу 11-й Российской конференции по физике полупроводников (Зеленогорск, 1996). Результаты диссертационной работы докладывались также на семинарах лаборатории мошных полупроводниковых приборов ФТИ РАН.
ДУБТОКА1Щ. По материалам диссертации опубликовано 20 научных работ, в том числе 13 статей (2- лично автором диссертации, II- в соавторстве). Перечень работ приведен в конце автореферата.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения и списка цитируемой литературы из 94 наименований. Общий объем диссертации - 188 страниц, в том. число 131 страница машинописного текста, 44 рисунка, 2 таблицы.
