Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ С ТОНКИМИ ПЛЕНКАМИ ШИРОКОЗОННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ ТИПА МП'ДП 10
1. Электростатические характеристики МП'ДП гетероструктур, 10
1.1 Распределение потенциала в монокристаллических полупроводниковых слоях при толщинах, сравнимых с дебаевской длиной экранирования 12
1.2. Электростатические модели многослойных структур на базе системы диэлектрик-полупроводник 16
1Л .3. Модель идеальной МП'ДП структуры 24
1.2. Влияние локализованных зарядов в диэлектрике и в слое на электростатические характеристики МП'ДП структуры 28
1.2 Л. Влияние фиксированного заряда вД 28
1.2.2. Влияние пограничных состояний 31
1.3. Получение пленок полупроводниковых соединений методами термического напыления в открытом и квазизамкнутом объемах 37
1.3.1. Напыление в "открытом объеме" 37
1.3.2. Получение пленок Ga2Se3 в квазизамкнутом объеме 38
Цели и задачи 43
ГЛАВА 2. ФОРМИРОВАНИЕ ПЛЕНОК Ga2Se3 И ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ПОЛЕВЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ Ме-Ga2Se3 - Si ПРИ РАДИАЦИОННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ И ВАРЬИРОВАНИИ МЕТАЛЛА КОНТАКТА 46
2.1. Получение пленок селенида галлия в квазизамкнутом объеме из независимых источников галлия и селена 46
2.2. Механизм устойчивости к облучению у-квантами полевых гетероструктур типа МДП на основе кремния 50
2.3. Высокочастотные вольт-фарадные характеристики гетероструктур Me - Ga2Se3 - Si с различными металлическими
контактами , 57
Выводы 59
ГЛАВА 3. МОДЕЛЬ МП'ДП СТРУКТУРЫ С УЧЕТОМ КОНТАКТНОЙ РАЗНОСТИ ПОТЕНЦИАЛОВ МП' И ЦЕНТРОВ ЛОКАЛИЗАЦИИ ЗАРЯДА В П* И НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА П'Д 62
3.1. Математическая модель и алгоритм расчета ВЧ С - V характеристик 62
3.2. Влияние центров локализации заряда на границе П'Д на электростатические характеристики МП'ДП структур 76
3.3. Влияние контактной разности потенциалов на
электростатические характеристики МП'ДП структуры 84
3.4. ВЧ C-V характеристики МП'ДП структур с центрами
локализации заряда и с контактной разностью потенциалов МП' 88
Выводы 96
ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ КОНТАКТНОЙ РАЗНОСТИ ПОТЕНЦИАЛОВ МП' НА ЗАРЯДОВЫЕ СОСТОЯНИЯ ЦЕНТРОВ В ГГ И ИХ УЧАСТИЕ В ЛОКАЛИЗАЦИИ ЗАРЯДОВ ИЗ ПОДЛОЖКИ П В МЩД)П СТРУКТУРЕ 97
4.1. Определение сродства к электрону для Ga2Se3 из исследования внутренней фотоэмиссии в гетероструктуре Ga2Se3 -(SiOJSi 97
4.2. Энергетическая диатрамма гетероструктуры Me - Ga2Se3 -(SiOJSi и туннельный механизм участия центров локализации заряда Ga2Se3 в ПЭС кремния 102
4.3. ВЧ C-V характеристики гетероструктуры Me - Ga2Se3 -(SiOJSi на основе 5г-типа Выводы 114
Основные выводы и результаты 115
Литература 116
- Электростатические характеристики МП'ДП гетероструктур,
- Получение пленок селенида галлия в квазизамкнутом объеме из независимых источников галлия и селена
- Математическая модель и алгоритм расчета ВЧ С - V характеристик
- Определение сродства к электрону для Ga2Se3 из исследования внутренней фотоэмиссии в гетероструктуре Ga2Se3 -(SiOJSi
Введение к работе
Актуальность работы. Скорость обработки и объемы потоков информации во многом определяют успешность всех направлений человеческой деятельности. Устройства для переработки информации включают твердотельные элементы со структурой типа металл-диэлектрик-полупроводник (МДП), быстродействие которых, в первую очередь, сказывается на функциональных и частотных параметрах системы. В настоящее время основным материалом сверхскоростных сверхбольших интегральных схем (ССБИС) остается кремний. Технологии современной кремниевой микроэлектроники достигли высочайшего уровня и постоянно совершенствуются. Возможно, что уже достигнут предел по быстродействию кремниевых МДП элементов, связанный с физико-химической природой границы раздела термическая двуокись кремния-кремний (Si02 - Si), структуры металл-окисел-полупроводник: МОП - структуры.
Одно из направлений совершенствования кремниевых МДП - систем заключается в использовании вместо диэлектрика пленок широкозонных полупроводников с толщинами много меньшими дебаевской длины экранирования (слой П'). В этом случае возможен выбор материала слоя П' с параметрами кристаллической решетки максимально близкими к решетке кремния. Такая изорешеточная система Ga2Se3 — Si предложена в качестве полевой гетеро-структуры в работах Б.И. Сысоева и В.Ф. Сынорова еще в 1974 году. Ее реализация стала возможной только после разработки способа получения тонких монокристаллических пленок полупроводниковых соединений в квазизамкнутом объеме из независимых источников. Изучены механизмы токопрохо-ждения в полевых гетероструктурах А1 — Ga2Se3 — Si in, р -типа) и параметры электронных состояний в этой системе. Однако, возможность использования данных слоистых структур в конкретных устройствах твердотельной электроники ограничиваются сравнительно высоким уровнем сквозных токов и отсутствием информации о поведении этих структур во времени и при различных термодинамически неравновесных воздействиях. Сказанное выше определяет актуальность темы данной диссертации, которая выполнялась в соответствии с направлением госбюджетной НИР кафедры физики Воронежской Государственной технологической академии "Физико-химические процессы в объеме и на границе раздела в неоднородных твердотельных системах" (№ гос.per. 01960012699) при частичной финансовой поддержке гранта РФФИ № 03-02-96480.
Целью работы является установление закономерностей влияния термодинамической работы выхода металла контакта на электронные процессы в гетероструктурах Me — Ga2Se3 — Si и выбор условий использования этих гете-роструктур в качестве полевых с минимальным вкладом центров локализации заряда в электронные процессы.
Для достижения цели решались следующие задачи:
формирование гетероструктур Me — Ga2Se3 — Si с различными металлическими контактами и исследование их электрофизических характеристик;
моделирование электростатических характеристик гетероструктур типа МП'ДП с учетом влияния центров локализации заряда в слое П' (на границе раздела П'Д) и контактной разности потенциалов (КРП) МП';
определение устойчивости параметров границы раздела к облучению у -квантами;
построение энергетической диаграммы гетероструктуры Me — Оа28ез — Si;
определение оптимальных с точки зрения вклада центров локализации заряда в электронные процессы условий использования гетероструктур Me — Осі28ез — Si в качестве полевых.
Методы исследования. Для изучения структуры получаемых слоев использовался метод электронографии «на отражение»; элементный состав получаемых пленок при толщинах больше 100,0 нм контролировался методом рентгеноспектрального микроанализа (РСМА), а при меньших толщинах изучался методом послойного Оже-электронного анализа; для исследования спектра поверхностных электронных состояний (ПЭС) использовался метод дифференциальной проводимости и емкости в диапазоне частот тестового сигнала 20 Гц - 2 МГц; использовались методы математического моделирования для анализа электростатических характеристик МГГДП структур и построения их энергетических диаграмм.
Научная новизна.
Впервые рассмотрена модель электростатических характеристик МГГДП гетероструктуры учитывающая совокупное влияние КРП между слоями структуры, типа, концентрации и энергетического положения центров локализации заряда на границе П'Д.
Предложена модель устойчивости этих гетероструктур к радиационным воздействиям основанная на участии кислорода, растворенного в Si-подложке в формирование электронных состояний на поверхности Si в процессе термического отжига и в результате радиационного воздействия.
Показано, что электронные состояния в пленке Ga2Se3 на границе с диэлектриком могут проявляться как состояния в Si w-типа за счет туннельного обмена зарядом между ОПЗ вйив пленке Ga2Se3.
Практическая значимость.
Установлена радиационная устойчивость к у-облучению гетероструктур А1 - Ga2Se3 - Si (w-типа);
Установлено, что проявление ПЭС в Si в гетероструктурах Pt — Ga2Se3 — (SiOxJSi п — типа основано на туннельном обмене зарядом между ОПЗ в Si и центрами локализации заряда в пленке Осі28ез у границы раздела (SiOx);
Обоснована принципиальная возможность использования гетероструктур Me — Ga2Se3 — (SiOxJSi на основе Si /?-типа в качестве полевых с инверсионным каналом w-типа. В качестве материала затворного слоя гетероструктур типа Me — Ga2Se3 — (SiOx)Si на основе Si w-типа можно использовать металлы с термодинамической работой выхода, близкой к xai (поликремний и+-типа), а для структур на основе Sip-типа — к%р{ (поликремнийр+-типа);
На защиту выносятся следующие положения: формирование ПС границы раздела в процессе радиационного воздействия связано с выделением у поверхности кремния комплексов SiOm, а наблюдаемый "радиационный отжиг" является результатом коалесцен-ции SiOm в фазу SiOx на поверхности подложки, что объясняется подобием характера энергетических спектров ПС границ разделов Осі28ез -Si и Si02 — Si. Повышенная радиационная стойкость гетероструктур А1 — Ga2Se3 — Si (w-типа) к у - облучению объясняется снижением концентрации растворенного в Si - подложке кислорода в процессе формиро-
вания гетероструктуры и последующей импульсной фотонной обработки.
проявление ПЭС в Si в гетероструктурах Pt - Ga2Se3 - (SiOx)Si п - типа
основано на туннельном обмене зарядом между ОПЗ в Si и центрами
локализации заряда в пленке Осі28ез у границы раздела с (SiOx);
для снижения эффектов, проявляющихся как ПЭС в Si и связанных с
туннельным обменом свободных зарядов из Si с центрами локализации
заряда в Осі28ез, в полевых гетероструктурах типа Осі28ез - (SiOx)Si на Si
w-типа можно использовать в качестве материала подзатворного слоя
металлы с термодинамической работой выхода, близкой к хлі (поли
кремний и+-типа), а для структур на основе Si /?-типа - к %pt (поликрем
ний р+-типа). Наиболее перспективны для использования в полевых
транзисторных структурах гетеропереходы Gci2Se3-Si на основе Si р-
типа, поскольку в этом случае минимально влияние ПЭС и относитель
но высоко значение разрыва энергии дна зоны проводимости на грани
це раздела Gci2Se3-Si (~ 0,7 эВ), что и обеспечивает возможность ис
пользования этого гетероперехода для w-канальных полевых элементов
кремниевой микроэлектроники;
Апробация работы. Ниже перечислены конференции, семинары и совещания, на которых представлялись результаты работы: Девятая международная конференция "Физика диэлектриков" (Диэлектрики 2000); XL отчетная конференция ВГТА 2001 г.; XLI отчетная конференция ВГТА 2002 г.; XLII отчетная конференция ВГТА 2003 г.; Международная научная конференция "Тонкие пленки и наноструктуры" (Пленки 2004)
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 7 статей в местной и центральной научной печати, 5 тезисов докладов на научных конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. Объем диссертации составляет 128 страниц машинописного текста, включая 47 рисунков. Список литературы содержит 114 наименований.
Электростатические характеристики МП'ДП гетероструктур,
Построение электростатических моделей устройств твердотельной электроники, включающих полупроводниковые и диэлектрические слои, основывается на задаче о распределении потенциала в системе, учитывающей зарядовые состояния слоев и междуслоиных гранид. Для нахождения распределения потенциала решается уравнение Пуассона с двумя граничными условиями, отражающими поведение электростатического потенциала (д ) или напряженности электрического поля (Ё = -grad p) на границах рассматриваемой области [20]. Геометрические особенности тонкопленочных систем, как правило, позволяют ограничиться анализом одномерного уравнения Пуассона в поперечном направлении гетероструктуры, совпадающим с направлением внешнего электрического поля. В этом случае уравнение Пуассона в общем виде где е0 - электрическая постоянная, е - относительная диэлектрическая проницаемость материала слоя, х - координата, нормальная к поверхности слоистой системы, р(х) - плотность объемного заряда, определяемая совокупностью подвижных и локализованных в слое зарядов.
Для массивного полупроводникового образца уравнение (1.1) решено в [21] в случае полностью ионизованных легирующих примесей в рамках модели полубесконечного полупроводника. Очевидным граничным условием данной задачи, позволяющим найти явный вид первого интеграла уравнения (1.1), является равенство нулю напряженности электрического поля в объеме при значительном удалении (х- со) от поверхности образца (х = 0), Распределение потенциала в приповерхностной области пространственного заряда (ОПЗ) получается из второго интеграла уравнения (1.1) для заданного граничного условия на поверхности. Основные ограничения теории ОПЗ, основанной на решении уравнения Пуассона, обсуждаются в [22].
Получение пленок селенида галлия в квазизамкнутом объеме из независимых источников галлия и селена
В работах [18,64] (раздел 1.3) определены условия получения пленок селенида галлия на кремниевых подложках в КЗО методом "горячей стенки" из предварительного синтезированных поликристаллических образцов Ga2Ses. Показана возможность получения при Тп 970 К крупноблочных слоев с точной ориентацией блоков вдоль оси текстуры (рис.12). Однако при повороте образца вокруг оси текстуры дифракционная картина не изменялась, что свидетельствовало об отсутствии какой-либо преимущественной ориентации блоков в плоскости пленки. Причем ось текстуры пленок Ga2Se3 не зависела от ориентации й -подложки. Отсутствие этой зависимости было объяснено наличием на поверхности Si тонкого подслоя оксида, ослабляющего ориентирующее влияние подложки. Поскольку в камере КЗО реализуются условия, соответствующие парциальным давлениям остаточных газов на уровне - 5 10"7 Па, становится возможным удаление слоя естественного оксида кремния с поверхности подложки в молекулярном потоке галлия [70,72]. Для совмещения процессов удаления оксида и осаждения слоя Ga2Se3 в едином технологическом цикле разработана модифицированная камера КЗО, представляющая собой разъемную графитовую ячейку с четырьмя регулируемыми зонами нагрева: подложки, стенок, источника галлия и источника селена (рис.13). Эта камера помещалась под колпак из нержавеющей стали вакуумной установки, изготовленной на основе промышленного поста ВУП-4.
Вакуум в "открытом" объеме установки составляет 10"3 Па. В качестве устройства автоматического регулирования температуры использовался модифицированный трехзонный регулятор РЕПИД-1 с блоком управления тиристорами. Все три канала управления регулятора идентичны и независимы друг от друга. Схема подключения одной зоны нагрева (подложки) показана на рис.14. Остальные две зоны подключаются аналогично.
Напряжение с РНО (1) подается через тиристоры (2) и понижающий трансформатор (3) на низкоомиый нагреватель подложки (4). Когда подложка нагревается до заданной температуры, ЭДС термопары (5) сравнивается с ЭДС блока задающего температуру РЕПИД-1 (6), ток управления уменьшается, тиристоры начинают закрываться, а подложка остывать. Когда ЭДС термопары становится меньше ЭДС блока задающего температуру, ток управления возрастает, тиристоры открываются и на нагреватель подложки подается напряжение. Плавность управления достигается регулировкой блока РЕПИД-1. Точность поддержания температуры составляет 1К.
Пленки Ga2Se3, полученные в такой камере при Тп=910 К после предварительной обработки Si подложки в потоке галлия, имеют структуру мозаичного монокристалла с ориентацией блоков, соответствующей ориентации подложки (рис.! 5) [73-75].
То есть после удаления оксида зарождение слоя происходит в условиях непосредственного взаимодействия компонентов соединения Ga2Ses с кремнием. Изменение дифракционной картины при повороте образца вокруг оси, перпендикулярной плоскости подложки, свидетельствует о строгой азимутальной ориентации кристаллических блока, а присутствие на электронограмме дальних рефлексов - о малой угловой разориентации блоков, свойственной мозаичным монокристаллам.
Математическая модель и алгоритм расчета ВЧ С - V характеристик
В модели предусмотрена возможность анализа электростатических характеристик МП ДП системы, как с донорными, так и акцепторными состояниями, кате для дискретных, так и непрерывно распределенных состояний как по энергии в запрещенной зоне, так и по толщине слоя ГГ. Например, если ПЭС однородно распределены по энергии, то выражение для vdps\) в принимало вид: где в этом случае Nls- величина поверхностной плотности ПЭС.
При распределении электронных состояний в объеме слоя П , к правой части уравнения (3.2) добавлялось слагаемое типа (3.8), учитывающее заряд, захваченный на эти состояния. В этом случае все параметры, входящие в выражение имеют объемный характер в отличие от представленных в (3.8) и, соответственно, могут зависеть от координаты по толщине слоя П\
Зависимость величины напряженности электрического поля в полупроводнике П на границе ДП от поверхностного потенциала в П от 0 ,2), определялась из второго интеграла уравнения Пуассона для полупроводника с полубесконечной геометрией [1].
Связь напряженностей полей в слое Д и у поверхности в П задавалась в виде
Глубокие центры, распределенные в объеме полупроводника П в данной модели не учитывались, так как модель ориентирована на изучение слоистых систем на основе полупроводникового кремния с заведомо низкой концентрацией этих центров.
Алгоритм анализа изучаемой модели представлен на рис.22. Расчет электростатических характеристик состоит из нескольких этапов: ввод данных
Программа моделирования электростатических характеристик МП ДП систем имеет удобный интерфейс. Варьируемыми параметрами изучаемой модели являются: толщина диэлектрика (хД толщина полупроводника ГТ (Хр) концентрация электронов в ГТ {ті), концентрация электронов в П (п02), работа выхода из металла контакта (хш\ вид ПЭС, концентрация ПЭС (Nts или А ), энергия ПЭС (Eis или Е&), шаг расчета. Расположение компонентов ввода и вывода данных позволяет легко изменять исходные данные, получать численные результаты всего расчета и в отдельных точках V с шагом 0,02 В (ограниченным разрешением формата .Ътр\ а так же строить графики зависимостей psi(V), р$2(Ю C/Ct(V) и энергетические диаграммы в выбранных точках. Все исходные данные имеют значения по умолчанию соответствующие идеальной МП ДП структуре с контактом из алюминия. - расчет распределения потенциала в П Решение дифференциального уравнения второго порядка (уравнение Пуассона), представляющего распределение потенциала в примесном полупроводнике не выражается в элементарных функциях. Проинтегрировать данное обыкновенное дифференциальное уравнение (ОДУ) в конечном виде не возможно. В этих случаях для нахождения функций искомых переменных пользуются численными методами интегрирования дифференциальных уравнений. Известные дифференциальное уравнение и граничные условия позволяют выбрать метод Рунге-Кутта для численного анализа распределения потенциала в слое ГГ [90].
Определение сродства к электрону для Ga2Se3 из исследования внутренней фотоэмиссии в гетероструктуре Ga2Se3 -(SiOJSi
Для изучения влияния КРП МП1 на зарядовые состояния центров необходимо рассмотрение энергетической диаграммы гетероструктуры МГГ(Д)П. Ее построение, наряду с проведенным в главе 3 расчетом распределения потенциала в МП ДП структуре требует знания электронного сродства в каждом из используемых металлов и полупроводников МП ДП системы. Эта величина известна для всех металлов и Si [89]. Для формируемых пленок селенида галлия этот параметр находился из исследования токов внутренней фотоэмиссии в гетеропереходе Ga2Se3 -(SiOx) - Si с полупрозрачными контактами из NL
С этой целью проведены исследования токов фотоинжекции в совокупности с анализом вольт-амперных характеристик (ВАХ) слоистых систем АЩЇ) - Ga2Se3 - (SiO Si (п, jo-типа) [92]. Контакты из никеля формировались по методике предложенной в [93] и обеспечивали пропускание квантов света в диапазоне энергии 1,0 - 3,0 эВ на уровне 5 0%.
Исследуемые гетероструктуры включали хорошо ориентированные крупноблочные слои Ga2Se3, полученные по методике, описанной в разделе 2.1. Толщина пленок селенида галлия варьировалась в диапазоне 50 - 400 нм. Измерялись фотоинжекционные токи при положительном потенциале на полупрозрачном Ni электроде в диапазоне энергии квантов падающего света 1,7 - 2,2 эВ. Подсветка осуществлялась со стороны никелевого контакта с использованием спектрофотометра типа СФ-16. Условия проведения этих экспериментов выбирались на основании анализа механизмов токопрохождения в этих гетероструктурах.
При отрицательном потенциале на металлическом контакте к селениду галлия токопрохождение в гетероструктуре А1 - Ga2Se3 (SiOJSi (р+-тяп&) определяется механизмом ТОГО, то есть ограничено объемом пленки Ga2Se3 [92,94]. В отличие от линейной зависимости I(V) на начальном участке этой части ВАХ (омический участок), начальный участок ВАХ при положительном потенциале на контакте к Ga2Se3 в гетероструктурах на п - и р - типе кремния спрямляется только в координатах Igl от Vі 2 (рис.38а). Это может быть следствием механизмов токопрохождения Шоттки или Пула-Френкеля [94]. Критерием выбора между этими механизмами является сравнение наклона (/?) прямой в координатах Igl от Уш, полученной из экспериментальной ВАХ, с соответствующими теоретическими значениями
Пула-Френкеля). В исследуемых структурах экспериментальное значение ft на начальном участке ВАХ (напряжение V 0,3 0,5 В) (рис.38а) оказывалось примерно в середине интервала, задаваемого теоретическими величинами наклонов для механизмов Шоттки и Пула-Френкеля. При больших напряжениях (V 0,8 0,9 В) (рис.386) в структурах с толщинами селенида галлия менее 30 нм, ВАХ хорошо описывается линейной зависимостью в координатах Igl V от Г. Такое поведение ВАХ может быть результатом туннельной эмиссии типа Фаулера-Нордгейма [94,95], часто наблюдаемой в МДП структурах на основе системы Si02 - Si. В пользу этого механизма свидетельствовала также слабая температурная зависимость тока гетероструктуры - при этих же напряжениях в интервале температур 200 - 400 К ток изменялся в 5 - 6 раз. Эти особенности темновых ВАХ исследуемых гетероструктур АЩї) Ga2Se3 - Si при положительном потенциале на металлическом электроде, позволили сделать вывод о превалировании над ограниченным объемом пленки Ga2Se3 механизмом
Пула-Френкеля, механизма, связанного с электронными переходами на границе раздела Ga2Se3
