Введение к работе
Актуальность проблемы. Контакт металл-полупроводник (КМП),
5ладающий как омическим, так и выпрямляющим свойством, является
шовным многофункциональным физическим элементом
)лупроводниковой электроники. Без преувеличения можно сказать, что в ютоящее время трудно найти современные электронные устройства, в ггорых не применялись бы КМП приборы или в качестве дискретных хпупроводниковых приборов, или же составных элементов микросхем.
К простым полупроводниковым приборам, изготовленным на
:нове выпрямляющих КМП, т.е. диодов Шоттки (ДШ), относятся:
шрямительный, детекторный и смесительный диоды; стабилитрон;
лпульсный, переключающий, умножительный и параметрический диоды;
-ементы памяти; генераторный, лавинно-пролетные диоды;
этосопротивление; фотодиод; фотоемкость; фотокатод,
имулированный полем; датчики температуры и давления; счетчик [ерных частиц; холодный катод; солнечные элементы. Сложными щупроводниковыми приборами с выпрямляющим КМП являются: >левой транзистор с ДШ; поверхностно-барьерный транзистор; толярный транзистор с шунтирующим диодом Шоттки; биполярный анзистор с коллектором с диодом Шоттки; МДП транзистор с истоком и оком с ДШ; инжекционно-пролетный диод с БШ; транзистор с ггаллической базой и МП структурами; ПЗС с БШ; диод Ганна с БШ; илитель бегущей волны с БШ; комбинированный прибор лампа-диод оттки; фототранзистор; полевой фототранзистор с БШ; ектрооптический модулятор; тиристор; акустоэлектрические приборы с Ц; быстродействующие переключатели с БШ и т.д.
Широкое применение КМП приборов в радиоэлектронике, іформатике, вычислительной технике и других областях современной ектронной техники обусловлено их многочисленными преимуществами д р-n переходами: большим быстродействием, которое достигает 10п-12 Гц; универсальностью и многофункциональностью; простотой шологии и ее совместимостью с технологией интегральных схем; лыми размерами действующей активной области; малой ергопотребляемостью; большим теплоотводом, дешевизной и т.д,
Основным недостатком КМП приборов является их большая вствительность к воздействиям конструктивно-технологических и иматических факторов. Несмотря на то, что это ограничивает широкое именение КМП приборов, в тоже время это позволяет разработать
4 наиболее оптимальные конструктивно-технологические способы для изготовления более высококачественных КМП приборов. Поскольку из-за существования серьезных разногласий между экспериментальными результатами реальных , и теоретическими результатами идеализированных КМП, изготовление контактов с необходимыми электрофизическими параметрами связано с большими трудностями. Часто наблюдается отклонение вольтамперных, вольтемкостных, фотоэлектрических, термоэлектрических и других характеристик реальных ДШ от теоретических характеристик идеальных контактов.
В результате большого количества экспериментальных исследований электрофизических свойств КМП было твердо установлено, что образование потенциального барьера в реальных КМП происходит на основе физической модели Шоттки, базированной на разности работ выхода контактирующих металла и полупроводника. А токопрохождение в реальных выпрямляющих КМП хороше описывается теорией термоэлектронной эмиссии. Принципиальное разногласие между результатами теоретических и экспериментальных исследований электрофизических свойств КМП возникает, в первук очередь, потому, что физическая модель Шоттки и теорш термоэлектронной эмиссии токопрохождения разработаны дл* идеального КМП, имеющего одинаковую высоту потенциального барьера вдоль неограниченной контактной поверхности, тогда каї реальный КМП имеет разную высоту потенциального барьера вдолі контактной поверхности, ограниченной свободными поверхностямр контактирующих материалов.
Были сделаны многочисленные попытки интерпретироваті разногласие между результатами теоретических и экспериментальны) исследований электрофизических свойств КМП на основе физическое модели неоднородного КМП, согласно которой реальный КМГ представляется как совокупность параллельно соединенны: электрически невзаимодействующих микроконтактов с различным! электрофизическими параметрами. Однако, невозможность объяснени: большинства разногласий между фундаментальными результатам) теоретических и достоверными результатами экспериментальны: исследований электрофизических свойств реальных КМП с помощьк очевидной неоднородности вызывает сомнения.
В действительности, реальные КМП состоят из совокупное^ параллельно соединенных и электрически взаимодействующих
5 ікроконтактов с различными локальными высотами потенциального рьера. В результате этого, в приконтактной области полупроводника ряду с основным электрическим полем контактной разности ітенциалов контактирующих поверхностей металла и полупроводника, зникает и дополнительное электрическое поле контактной разности ітенциалов (до 1 В) электрически взаимодействующих микроконтактов с зличными локальными высотами барьера. В то же время, полнительное электрическое поле образуется в приконтактной области лупроводника реальных КМП с ограниченной контактной площадью кже и из-за возникновения контактной разности потенциалов между нтактной поверхностью, имеющей высоту барьера порядка 1 эВ, и отмыкающими к ней свободными поверхностями металла и лупроводника, имеющими работы выхода около 4-6 эВ. Следовательно, їй участвуют как в формировании потенциального барьера, так и в юцессе токопрохождения в реальных КМП. Такие особенности реальных Vin, имеющие ограниченные контактные площади и эмиссионные однородные границы раздела, практически не исследовались.
Целью настоящей диссертационной работы является разработка «ической модели образования потенциального барьера в реальных Vin, установление механизма токопрохождения на основе теории рмоэлектронной эмиссии, разработка способов определения ометрических и электрофизических параметров действующих участков Vfn и проведение экспериментальных исследований электрофизических ойств КМП, изготовленных на основе контакта металлов с кремнием, в ироких интервалах температур и концентраций примесей шупроводника.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
Создание физических моделей неоднородного КМП с раниченной контактной площадью, состоящих из совокупности ектрически взаимодействующих микроконтактов с различными жальными высотами потенциальных барьеров.
Разработка механизмов токопрохождения на основе теории рмоэлектронной эмиссии в неоднородном КМП с ограниченной нтактной площадью, состоящих из совокупности электрически аимодействующих микроконтактов с различными локальными высотами угенциальных барьеров.
Создание физических моделей образования потенциального ірьера и разработка механизмов токопрохождения в реальных КМП с
дополнительными электрическими полями, возникающими из-за электрического взаимодействия микроконтактов с различными локальными высотами потенциального барьера и ограниченности контактной площади со свободными поверхностями металла и полупроводника.
Разработки способов измерения периферийных
электрофизических параметров и геометрических размеров активной периферийной контактной поверхности реальных ДШ, имеющих ограниченные контактные площади и состоящих из совокупности электрически взаимодействующих микроконтактов с различными локальными высотами потенциальных барьеров.
Экспериментальное исследование особенностей
токопрохождения с учетом влияния периферийных эффектов, при отсутствии периферийных эффектов и через периферийную контактную поверхность реальных кремниевых ДШ в прямом и обратном направлениях напряжения.
Экспериментальное исследование особенностей
токопрохождения с учетом влияния периферийных эффектов, при отсутствии периферийных эффектов и через периферийную контактную поверхность реальных кремниевых ДШ в прямом и обратном направлениях напряжения в широком интервале (100-400 К) температуры.
Экспериментальное исследование особенностей
токопрохождения с учетов влияния периферийных эффектов, при отсутствии периферийных эффектов и через периферийную контактную поверхность реальных кремниевых ДШ в прямом и обратном направлениях напряжения в широком интервале концентрации (1014-1017 см"1) примесей полупроводника.
Экспериментальное исследование деградированных и омических характеристик КМП и их особенности в зависимости от конструктивно-технологических и климатических условий.
Решение поставленных задач составило основу развиваемого в работе научного направления - физики реальных КМП с дополнительным электрическим полем, возникающим из-за эмиссионной неоднородности границы раздела и ограниченности контактной площади со свободными поверхностями контактирующих материалов.
В качестве объектов экспериментального исследования были выбраны КМП, изготовленные на основе контактов различных металлов-с кремнием, широко используемых в качестве полупроводниковых
7 риборов и элементов интегральных схем и детально изученных с омощыо современных экспериментальных методик.
Научная новизна проведенных в работе исследований аключается в следующем:
Установлено возникновение дополнительного электрического поля приконтактной области полупроводника реальных КМП.
Предложены физические модели реальных КМП с ополнительным электрическим полем.
Разработаны механизмы токопрохождения на основе теории ермоэлектронной эмиссии в реальных КМП с дополнительными лектрическими полями.
Установлены особенности измерений электрофизических траметров реальных ДШ. Изобретены способы измерения периферийных шектрофизических параметров и геометрических размеров активной іериферийной контактной поверхности реальных ДШ.
Установлены особенности токопрохождения с учетом влияния іериферийньїх эффектов, при отсутствии периферийных эффектов и через іериферийную контактную поверхность реальных кремниевых ДШ в ірямом и обратном направлениях. Изобретен полупроводниковый диод m основе КМП с дополнительным электрическим полем, в котором обратный ток практически отсутствует.
Установлены особенности токопрохождения с учетом влияния периферийных эффектов, при отсутствии периферийных эффектов и через периферийную контактную поверхность реальных кремниевых ДШ в прямом и обратном направлениях в широком интервале температур.
Установлены особенности токопрохождения с учетом влияния периферийных эффектов, при отсутствии периферийных эффектов и через периферийную контактную поверхность реальных кремниевых ДШ в прямом и обратном направлениях в широком интервале концентрации примесей полупроводника.
Выявлены характерные особенности деградированных и омических свойств КМП в зависимости от конструктивно-технологических и климатических условий.
Основные положения, выносимые на защиту: Явление возникновения дополнительного электрического поля в приконтактной области полупроводника реальных КМП, вследствие
8 эмиссионной неоднородности контактной площади и ограниченност контактной поверхности свободными поверхностями металла полупроводника.
Физические модели реальных КМП с дополнительны! электрическим полем.
Механизмы токопрохождения на основе теориї термоэлектронной эмиссии в реальных КМП с дополнительны) электрическим полем.
Установленные особенности измерений электрофизически: параметров реальных ДШ. Изобретения способов измерени периферийных электрофизических параметров и геометрически, размеров активной периферийной контактной поверхности реальны: ДШ.
Результаты экспериментальных исследований токопрохождения > учетом влияния периферийных эффектов, при отсутствии периферийны: эффектов и через периферийную контактную поверхность реальны: кремниевых ДШ в прямом и обратном направлениях. Изобретениі полупроводникового диода на основе КМП с дополнительны!* электрическим полем, в котором обратный ток практически отсутствует
Результаты экспериментальных исследований токопрохождения < учетом влияния периферийных эффектов, при отсутствии периферийны; эффектов и через периферийную контактную поверхность реальны; кремниевых ДНІ в прямом и обратном направлениях в широко\ интервале температур.
Результаты экспериментальных исследований токопрохождения ( учетом влияния периферийных эффектов, при отсутствии периферийны> эффектов и через периферийную контактную поверхность реальны> кремниевых ДШ в прямом и обратном направлениях в широко\ интервале концентрации примесей полупроводника.
Характерные особенности деградированных и омическш характеристик КМП в зависимости от конструктивно-технологических ^ климатических условий.
Практическая значимость работы.
Установленное явление возникновения дополнительногс электрического поля в приконтактной области полупроводника в реальных КМП, обусловленного эмиссионной неоднородностью границы раздела и ограниченностью контактной поверхности
9 ободными поверхностями металла и полупроводника, открывает новое іравление исследования физики реальных КМП и расширяет нкциональные возможности созданных на их основе дискретных гупроводниковых приборов и элементов интегральных схем.
Разработанные физические модели образования потенциального )ьера и механизмы токопрохождения на основе теории імозлектронной эмиссии в реальных КМП позволяют описывать ільньїе электрофизические процессы, происходящие в зависимости от лроды, свойств и структуры контактирующих материалов, пложенного напряжения, механического и радиационного воздействий, іструктивно-технологичеких и климатических условий, геометрических іфигураций контактных структур.
На основе разработанных способов измерения периферийных
сов и активной периферийной контактной площади ДШ определяются
периферийные электрофизические параметры, следовательно,
шовится возможным выбор оптимальных геометрических
іфигураций и использование корректных параметров при создании на основе полупроводниковых приборов и элементов интегральных схем.
Результаты экспериментальных исследований токопрохождения в гмниевых ДНІ в зависимости от температуры и концентрации примесей пупроводника, при наличии периферийных эффектов, при отсутствии эиферийных эффектов и через периферийную контактную поверхность шьных кремниевых ДШ в обоих направлениях, могут быть пользованы при разработке более высококачественных ДШ приборов с эбходимыми электрофизическими свойствами.
Достоверность полученных результатов определяется пользованием основных законов электродинамики для построения зических моделей реальных КМП и механизмов токопрохождения на юве фундаментальной теории термоэлектронной эмиссии, следованием образцов, изготовленных с помощью современной толитографической технологии, проведением измерений с помощью иборов с высокими точностями и численной обработкой результатов на зременной компьютерной технике.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и суждались на III республиканской конференции молодых ученых и ециалистов "Вопросы микроэлектроники и физики полупроводниковых иборов" (Тбилиси, 1977 г.), IY республиканской межвузовской нференции по физике (Баку, 1978 г.), научной сессии
10 "Итоги научно-исследовательских работ по физико-математическим наукам" прфессорско-преподавательского состава с предприятиями производственных организаций (Баку, 1981), Республиканской научно-технической конференции "Достижения радиотехники, электроники и связи - в народное хозяйство" (Баку, 1981), Всесоюзном научно-техническом семинаре "Пути повышения стабильности и надежности микроэлементов и микросхем" (Рязань, 1981 г.), I, Н, III Всесоюзных конференциях "Физические основы надежности и деградации полупроводниковых приборов"(Кишинев, 1982, 1986, 1991 гг.), Всесоюзной конференции по физике полупроводников (Баку, 1982 г.), Всесоюзной школе-семинаре "Физические основы работы и надежности полупроводниковых приборов с барьером Шоттки" (Иваново-Франковск, 1983 г.), YII Международном совещании по фотоэлектрическим и оптическим явлениям в твердом теле (Варна, 1983 г.), Научном семинаре института Полупроводников АН Украины (Киев, 1983 г.), Всесоюзной конференции "Физика и применение контакта металл-полупроводник" (Киев, 1987 г.), на VII Координационном совещании по исследованию и применению твердых растворов Ge-Si (Баку,1988 г.), XXX Международной Конференции "Физика многокомпонентных полупроводников" (Баку, 1992 г.), V Республиканской Межвузовской конференции по физике (Баку, 1992 г.), Республиканской конференции "Физика-93" (Баку,1993 г.), Международных Конгрессах Энергетики, Экономики и Экологии (Баку, 1997, 2001 гг.), I, II Республиканских научных конференциях "Актуальные проблемы физики" (Баку,1998, 2001 гг.), Научной конференции БГУ (Баку, 1998 г.), Юбилейной научной конференции БГУ (Баку, 1999 г.), Международном конгрессе физики твердого тела (Ерзурум, 2000 г.), YIII Международной Научно-технической конференции "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники" (Таганрог,2002 г.),Международном совещании "Влияние ионизирующих радиации на экологию стран Кавказа" (Баку,2002 г.), Республиканской научно-технической конференции "Наука и связь" (Баку, 2002 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 66 работ и получено 3 патента на изобретения, список которых приводится отдельно. Основные результаты опубликованы в журналах "Физика и техника полупроводников", "Письма в ЖТФ", "Электроника",
Прикладная Физика", "Вестник Бакинского Университета", "Известия АН Азерб. Республики.", "Физика" и в сборниках статей БГУ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа эстоит из введения, восьми глав, заключения, списка цитируемой итературы из 276 наименований. Она содержит 270 страниц ашинописного текста, 79 рисунков и 29 таблиц.
Личный вклад автора заключается: в установлении явления озникновения дополнительного электрического поля в приконтактной бласти полупроводника реальных КМП, вследствие эмиссионной еоднородности вдоль ограниченной контактной поверхности; в азраоотке энергетических моделей и особенности токопрохождения на снове теории термоэлектронной эмиссии реальных КМП: в изобретении пособов измерений электрофизических и геометрических параметров ктивной периферийной области контактной поверхности реальных КМП; проведении экспериментальных исследований электрофизических войств кремниевых выпрямляющих КМП, получении их зависимостей от емпературы контакта и концентрации примесей полупроводника с учетом лияния периферийных эффектов, в их отсутствии, по периферийной бласти контакта и при высоких обратных напряжениях.
