Введение к работе
Актуальность темы. Электронные процессы в поверхностных слоях и на границе раздела полупроводник-диэлектрик определяет работу большинства приборов и устройств полупроводниковой электроники и микроэлектроники. Например, полевой транзистор со структурой металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) является в настоящее время базовым элементом сверхбольших интегральных схем IV. Именно поэтому важны самосогласованные расчеты электронных спектров и распределения потенциала вблизи поверхности полупроводника при наличии двумерных электронных слоев.
Широкое применение при расчетах вычислительных машин увеличивает значение аналитических расчетов, возможность получения точных ответов и создания на их основе физической картины, дающей возможность предсказывать влияние различных факторов, иногда даже не учитываемых в рамках развиваемой модели.
Часто, особенно при решении трехмерных задач, точная постановка задачи приводит или к громозким численным расчетам, скорее затеняющим, чем проясняющим физическую картину, или к невозможности решить задачу из-за слишком большого объема вычислений. В этих условиях важным является разработка физически обоснованных приближенных методов. позволяющих решить задачу. К такому классу задач относится, например, задача о распределении потенциала в двумерных слоистых системах и задача о кулоновской корреляции электронов в инверсионном канале и в поверхностной примесной зоне при конечных температурах, а также задача о флуктуашях
электростатического потенциала легированного полупроводника.
Фактически развитие микроэлектроники идет по пути непрерывного уменьшения размеров отдельных элементов и улучшения их технологии изготовления \2\. Это обстоятельство обуславливает возрастающую роль в работе отдельных элементов коллективных межэлектронных взаимодействий. Наиболее важными и физически интересными проявлениями кулоновских корреляций является пространственное упорядочение зарядов на поверхности Свигнеровская кристаллизация) и наличие фазового перехода диэлектрик-металл. Эти задачи подробно обсуждаются в диссертации как применительно к двумерной примесной зоне, так и для инверсионного канала МДП-структуры.
Наличие границ раздела, флуктуации состава и концентрации приводят к неупорядоченности вещества. Изучение неупорядоченных полупроводников и диэлектриков показывает, что в этих материалах существует ряд необычных явлений, открывающих возможности новых приложений в твердотельной электронике и микроэлектронике. Отметим, например, явления переключения и памяти, прыжковую и замороженную проводимость ГЗ.-4Э. Разработка теории перечисленных и подобных явлений важна для приложений и как основа физических методов определения параметров вещества.
Знание характерных параметров вещества необходимо для нахождения различных стационарных и нестационарных функций отклика систем на внешнее возмущение, т.е. в конечном счете для оценки пригодности использования вещества в элементах соответствующих приборов. К таким параметрам следует отнести: энергетическую зонную схему, параметры центров захвата - их
энергетическое положение (1.). сечение захвата С S^ ) и концентрацию (А^ ). характерную амплитуду потенциального рельефа, связанную с неупорядоченностью системы.
Для приложений предпочтительны "экспресс-методы" не разрушающего контроля, позволяющие исследовать вещество как в процессе создания на его основе прибора, так и уже в готовом приборном исполнении. Такими методами являются различные модификации методов, основанных на измерении откликов систем на фотовозбуждение и термостимулированное возбуждение.
Цель и основные задачи диссертации:
- расчет самосогласованного спектра и распределения потенциала
вблизи поверхности полупроводника при наличии двумерных
электронных слоев:
- разработка метода описания кулоновских корреляций в
примесных поверхностных состояниях и инверсионном канале как
при нулевой, так и при конечной температуре:
- описание флуктуационного потенциала и структуры примесной
зоны слаболегированного полупроводника:
- описание крупномасштабного флуктуационного потенциала в
УСЛОВИЯХ ОСВещеНИЯ:
разработка модификаций метода термостимулированного возбуждения СТСВ) - термостимулированный разряд конденсатора (ТРК) в режиме сильного перезахвата для дискретного и непрерывного распределения ловушек, термостимулированная проводимость с переменным электрическим полем. термостимулированная деполяризация фотоэлектрета в режиме разомкутой цепи. метод фотометрически стимулированного возбуждения СФТСВ).
6 Научная новизна, проведенных исследований заключается в следующем -
1. В термодинамически равновесном случае показано наличие
"переэкранировки" в обогащенном слое полупроводника и найдены
условия ее существования.
-
Для нулевой и конечной температуры развита модель, основанная на введении корреляционного радиуса и описывающая многочастичное кулоновское взаимодействие в двумерных системах. На ее основе предсказан ряд "нетривиальных" зависимостей (немонотонный ход загиба зон от напряжения на МДП-структуре, отрицательная плотность состояний, расходимость емкости структуры при стремлении поверхностной концентрации заряда к нулю), которые подтверждаются результатами численного моделирования и измерениями на кремниевых структурах.
-
Показано, что кулоновская корреляция в расположении поверхностных заряженных центров приводит при изменении внешнего напряжения на МДП-структуре и осцилляциям скорости заполнения примесной зоны и загиба зон полупроводника, а следовательно, и к осцилляциям поверхностной проводимости.
А. Развита модель крупномасштабного флуктуационного потенциала слаболегированного и сильнокомпенсированного полупроводника. Найдена зависимость пространственного масштаба и дисперсии потенциала от степени компенсации. Показана необходимость одновременного учета мелкомасштабного флуктуационного потешала.
5. Для слаболегированного и слабокомпенсированного полупроводника рассчитана плотность флуктуационного потенциала в зависимости от степени компенсации. Показано, что именно увеличение
центров захвата.
Эти результат' Научная и щ.\ Решена зал. обогащенным ' -.< существования " подтверждаются группе Рогач-"!- і второго .i.-,pq-: МДП-струклурк Пуасссна, оплл: условиях Пр"Л- к Разработан
ВЗЙИМОДЄЙСТРІ-ОЧ
Фазовые пер*'-:.л
амплитуды флуктуашониого потенциала и приводит к понижению уровня Ферми с ростом степени компенсации. Для малых степеней компенсации рассчитаны плотности донорных и акцепторных состояний. Для полупроводника П -типа найдено, что акцепторная плотность имеет два максимума разделенных кулоновской щелью порядка кулоновского взаимодействия на среднем расстоянии между примесями. 6. В модели "искривленных зон" полупроводника исследована стационарная фотопроводимость и кинетика ее спада. Определены люксовые и температурные зависимости фотопроводимости. 7. Предложено несколько модификаций метода термостимулированного возбуждения и развита соответствующая теория обработки измерений с целью определения параметров
уусятся на запиту.
оического поля
ЛЛ-OOJ условия Зги результаты
ро.ч.ча" по'-.в мия уравнение
инвег.г; олігЛ'";'
.-Л'"".'" і:-'"-' :ть работы. ' - . :-.{.\-'-:т'х- rr::r,m '-олп . ч полуїіроволніїка и н :;v жранпс^вки" внеичь го по Г|м. :: ">авіісів(іми исслоо . лк-л, і" Іїсслелсвана "фазовая :уу:
вблизи
огстноє
слоя
ПО'
VKI'
поз в канале
"-ота .чкогоэлектронного кулонов ского . очых системах, позволивший описать .-.'кой поверхностней золе и инверсионном
канале как го температуре, так и по концентрации. В случае нулевой температуры и примесной поверхностной зоны основные результаты совпадают с численными расчетами, выполненными в группе Шкловского и Эфроса {], что свидетельствует о справедливости развитых приближений. В последнее время эти результаты используются для объяснения особенностей в плотности поверхнортных состояний \т].
Развиты модели флуктуации электростатического потенциала в слаболегированном полупроводнике, обусловленные флуктуациями концентраций примеси. В рамках этих моделей удается количественно описать зависимость положения уровня Ферми W от степени компенсации К как в случае сильной так и слабой компенсации примесей. Полученная зависимость ><СК) хорошо согласуется с результатами численного моделирования, выполненными в группе Шкловского и Эфроса [8-9]. Для описания фотопроводимости в аморфных полупроводниках использована модель "искривленных зон", позволившая понять основные наблюдаемые в них закономерности. Развита модель фотопроводимости компенсированных полупроводников с глубоким рекомбинационным центром, объясняющая эксперименты на сильно компенсированном (r&Jsi Сґ. выполненные в группе Фистуля
QoJ. Разработана методика восстановления плотности локализованных состояний в аморфных пленках по зависимости амплитуды нестационарного фототока от интенсивности освещения. Метод был апробирован на пленках a-Si:tf в группе Зарифьянца
Qf], причем найденное распределение плотности согласуется с распределением, восстановленным из измерений вольт-фарадных характеристик.
Полученные в диссертации соотношения для определения параметров ловушек из измерений тока ТРК были апробированы рядом исследователей на следующих образцах: /raJs :Сґ:У [і2]. аморфные полупроводники состава Js-T-Si-9e \\ъ\ и CdTe:fe - Было найдено, что энергии ловушек, полученные из обработки кривых тока ТРК по формулам для "полуширин" тока, совпадают с энергиями. найденными другими методами термостимулированная проводимость (ТСП). оптическое поглощение и т.д.
Апробация оаботы. Результаты диссертации докладывались на Всесоюзном совещании по электрическим и оптическим свойствам широкозонных полупроводников (Томск .1974).Всесоюзном совещании по электрическим и оптическим свойствам широкозонных полупроводников (Киев,1975), на Международной конференции "Электродинамика межфазной границы. Квантовые эффекты в адсорбированных слоях и пленках"(Телави .1984), на 7?И -симпозимуме по электронным процессам на поверхности полупроводников и границе раздела полупроводник и диэлектрик (Новосибирск. 1980) . 10 Всесюзной конференции по полупроводникам (Новосибирск 1980). на 11-1424. совещании по теории полупроводников (Ужгород 1983. Киев 1985, Ереван 1987. Донецк 1989), Всесоюзных школах по физике поверхности (Ташкент 1983, Карпаты 1986)
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 21 статьях в научных журналах.
Структура и обьем диссертации. Диссертация состоит из Введения. 5 глав и Заключения. Обьем диссертации составляет 233 страниц машинописного текста, включая 50 рис. и список
10 литературы из 120 наименований.
