Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Электрофизические свойства тонкопленочных структур на основе неупорядоченных полупроводников 12
1.1 Структура спектра энергетических состояний в неупорядоченных полупроводниках 12
1.2 Механизмы переноса носителей заряда в неупорядоченных полупроводниках 21
1.3 Влияние локализованных состояний аморфного гидрогенизированного кремния на электрические свойства МДП-структуры 34
1.4 Анализ моделей для расчета тонкопленочных транзисторных структур на основе неупорядоченных полупроводников 41
Выводы по главе 1 46
Глава 2. Влияние локализованных состояний на формирование области пространственного заряда неупорядоченного полупроводника в МДП-структуре 48
2.1 Модель МДП-структуры, исходные и граничные условия расчета 48
2.2 Решение одномерного уравнения Пуассона с учетом распределения плотности локализованных состояний в щели подвижности неупорядоченного полупроводника 54
2.2.1 Плотность объемного заряда в области пространственного заряда МДП-структуры 54
2.2.2 Распределение напряженности электрического поля и потенциала в области пространственного заряда 58
2.2.3 Ширина области пространственного заряда в неупорядоченном полупроводнике 64
2.2.4 Длина экранирования электрического поля в области пространственного заряда неупорядоченного полупроводника 70
2.3 Влияние локализованных состояний на формирование и электрофизические параметры области пространственного заряда МДП-структуры на основе a-Si:H 72
Выводы по главе 2 79
Глава 3. Методика определения плотности электрически активных локализованных состояний в щели подвижности неупорядоченных полупроводников 81
3.1 Анализ методов исследования ПЛС неупорядоченного полупроводника 82
3.2 Физические основы методики определения ПЛС неупорядоченного полупроводника 84
3.3 Способ определения потенциала и напряженности электрического поля в области пространственного заряда МДП-структуры 86
3.4 Методика расчета плотности электрически активных локализованных состояний в неупорядоченных полупроводниках 90
3.5 Экспериментальные результаты определения плотности электрически активных локализованных состояний в a-Si:H средствами ACM 91
Выводы по главе 3 96
Глава 4. Расчет транзисторной тонкопленочной МДП-структуры с учетом влияния на электропроводность канала плотности локализованных состояний неупорядоченного полупроводника 97
4.1 Исходные и граничные условия расчета транзисторной тонкопленочной МДП-структуры 97
4.2 Расчет электрических характеристик транзисторной тонкопленочной МДП-структуры 98
4.2.1 Определение зависимости поверхностного потенциала в области пространственного заряда от приложенного напряжения к транзисторной МДП-структуре
4.2.2 Электрическая проводимость канала транзисторной МДП-структуры в режиме обогащения с учетом влияния локализованных состояний щели подвижности неупорядоченного полупроводника
4.2.3 Вывод аналитического выражения вольтамперной характеристики транзисторной МДП-структуры на основе неупорядоченного полупроводника 110
4.3 Оценка влияния локализованных состояний a-Si:H на
параметры тонкопленочного полевого транзистора 113
4.3.1 Режимы работы и параметры a-Si:H тонкопленочного полевого транзистора 113
4.3.2 Оценка влияния локализованных состояний a-Si:H на статические параметры ТПТ в усилительном режиме работы 121
4.3.3 Оценка влияния локализованных состояний a-Si:H на динамические параметры ТПТ в ключевом режиме работы 126
4.4 Алгоритм управления электрическими характеристиками тонкопленочных структур и параметрами неупорядоченного полупроводника в технологическом процессе 129
Выводы по главе 4 132
Основные результаты и выводы 133
Библиографический список
- Влияние локализованных состояний аморфного гидрогенизированного кремния на электрические свойства МДП-структуры
- Плотность объемного заряда в области пространственного заряда МДП-структуры
- Физические основы методики определения ПЛС неупорядоченного полупроводника
- Расчет электрических характеристик транзисторной тонкопленочной МДП-структуры
Введение к работе
В последние годы некристаллические полупроводники, благодаря своим уникальным свойствам, привлекают все больший интерес исследователей, технологов и разработчиков современных устройств микро- и наноэлектроники. Резко возрастает объем производства устройств, в которых используется элементная база на основе одного из перспективных материалов данного класса - аморфного гидрогенизирован-ного кремния (a-Si:H).
В настоящее время на основе a-Si:H создаются солнечные батареи с КПД до 16%, транзисторные матрицы управления плоскими жидкокристаллическими экранами (ЖКЭ), устройства копировальной техники, оперативной и долговременной памяти и др. Большие перспективы промышленного применения аморфного гидрогенизированного кремния (в частности, современные ЖКЭ выпускаются на базе матриц a-Si:H тонкопленочных полевых транзисторов - ТПТ) обусловлены следующими его достоинствами перед кристаллическим аналогом: технологическая доступность и дешевизна, высокая фоточувствительность, возможность получения однородных по свойствам пленок на больших площадях и на подложках из различного материала (диэлектрических, металлических, полупроводниковых), совместимость с технологическими процессами изготовления интегральных схем, радиационная стойкость [1,2].
В то же время до сих пор остаются нерешенными проблемы надежности, стабильности и долговечности приборов на их основе. Кроме того, существуют проблемы проектирования приборных структур на основе a-Si:H с заданными характеристиками [3,4].
Эти проблемы обусловлены отсутствием исчерпывающей теории физических процессов в неупорядоченных полупроводниках, в частности, процессов формирования областей пространственного заряда (ОПЗ) и токопереноса в МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) и транзисторных структурах. Для расчетов электрических и геометрических параметров приборов на основе неупорядоченных полупроводников в настоящее время используются модели и подходы, справедливые лишь для их кристаллических аналогов. При этом в расчетах приборных структур на неупорядоченных полупроводниках используются эмпирические зависимости,
поправочные коэффициенты, приближающие результаты моделирования к экспериментальным данным. Однако такие меры не позволяют проследить связь электрических и физических параметров тонкопленочных МДП и транзисторных структур с важнейшей характеристикой, определяющей физику аморфного полупроводника, - распределением плотности локализованных состояний (ПЛС) в щели подвижности [5]. Поэтому необходимо развитие представлений о природе локализованных состояний в неупорядоченном полупроводнике, их влиянии на электрофизические характеристики структур на основе a-Si:H. Анализ формирования областей пространственного заряда в аморфном полупроводнике и принципов работы МДП-структур на его основе необходим для оптимизации конструкции приборов, в частности, характеристик a-Si:H ТПТ и подбора технологических режимов его получения.
Эффективным средством решения проблем проектирования и конструирования устройств на основе аморфного гидрогенизированного кремния является создание физико-математического аппарата для расчета электрических характеристик тонкопленочных транзисторных структур, учитывающего наличие энергетического распределения ПЛС в щели подвижности неупорядоченного полупроводника. Он должен включать в себя, во-первых, физическую модель формирования ОПЗ в структурах типа МДП или барьерах Шотки, во-вторых, эмпирические зависимости влияния технологических режимов на параметры аморфного материала.
Использование расчетных аналитических зависимостей позволит разработчикам точнее определять оптимальные параметры рабочих режимов функционирования устройств на основе a-Si:H и проводить предварительные оценки влияния на них локализованных состояний аморфного полупроводника.
В этой связи исследования, проводимые в данной работе, посвящены решению актуальных проблем микро- и наноэлектроники, а именно разработке физической модели формирования ОПЗ в тонкопленочных структурах для изучения влияния ПЛС аморфного гидрогенизированного кремния на токопроводящие свойства ОПЗ. Объектом исследования являются тонкопленочные МДП-структуры и транзисторные структуры на основе аморфного гидрогенизированного кремния. Для выбранной тонкопленочной a-Si:H транзисторной структуры рассчитываются вольтамперные характеристики, и исследуется влияние ПЛС на ее параметры.
Актуальность работы также связана с разработкой на основе предложенных теоретических соотношений новой методики исследования электрически активных локализованных состояний в щели подвижности неупорядоченного полупроводника. Необходимо отметить, что с развитием атомно-силовой микроскопии (АСМ) появляются уникальные возможности для исследования не только морфологических, но и электрофизических свойств приборных структур микро- и наноэлектроники [6]. Поэтому в разрабатываемой методике для получения информации о количестве и энергетическом распределении локализованных состояний в щели подвижности аморфного полупроводника входными данными являются результаты прямых измерений поверхностных потенциалов с применением новейшего научного оборудования АСМ.
Таким образом, проведенные исследования, позволят в дальнейшем адекватно моделировать функционирование области пространственного заряда в приборных структурах на основе аморфного гидрогенизированного кремния, а также расширить возможности зондовой микроскопии, в частности, предложить новые методы экспресс-контроля тонкопленочных структур в процессе их формирования. Развитие представлений о влиянии локализованных состояний аморфного полупроводника на свойства ОПЗ дает новые возможности для получения структур микро- и наноэлектроники с заданными электрофизическими характеристиками.
Цель работы
Развитие физических моделей формирования области пространственного заряда и переноса носителей в тонкопленочных a-Si:H структурах микро- и наноэлектроники с учетом распределения плотности локализованных состояний в щели подвижности неупорядоченного полупроводника.
Поставленная цель вызвала необходимость решения следующих задач: 1. Анализ существующих представлений об энергетическом спектре локализованных состояний, их влиянии на механизмы переноса заряда и электрофизические характеристики неупорядоченных полупроводников.
Исследование влияния локализованных состояний щели подвижности a-Si:H на распределение заряда, электрического потенциала и поля в области пространственного заряда тонкопленочной структуры.
Разработка методики определения плотности локализованных состояний в щели подвижности неупорядоченного полупроводника на основании результатов измерения электрофизических характеристик тонкопленочных структур методами атомно-силовой микроскопии.
Исследование преобладающих механизмов переноса носителей заряда и влияния электрически активных локализованных состояний в щели подвижности на токопроводящие свойства канала транзисторной МДП-структуры на основе a-Si:H.
Получение аналитического выражения, описывающего вольтамперные характеристики (ВАХ) тонкопленочной полевой транзисторной структуры с учетом влияния плотности электрически активных локализованных состояний в неупорядоченном полупроводнике.
Научная новизна
Получены новые аналитические выражения для расчета электрического тока, распределения поля и потенциала в области пространственного заряда аморфного гидрогенизированного кремния, отличающиеся от известных учетом параметров энергетического распределения плотности локализованных состояний в щели подвижности неупорядоченного полупроводника и позволяющие определить степень влияния этих состояний на электрические свойства МДП тонкопленочных структур.
Предложен новый способ определения электрических характеристик области пространственного заряда неупорядоченного полупроводника, основанный на измерениях электрического потенциала на краевом склоне тонкой пленки зондовыми методами с высоким пространственным разрешением.
3.Разработана методика определения энергетического распределения плотности электрически активных локализованных состояний в щели подвижности неупорядоченного полупроводника, которая отличается от существующих способом определения длины экранирования внешнего электрического поля с учетом заряда ионизированных локализованных состояний.
Практическая значимость работы
Получены аналитические выражения для расчета распределения поля, потенциала и тока в области пространственного заряда аморфного кремния МДП-структуры, которые могут быть использованы для создания моделей тонкопленочных приборов на неупорядоченных полупроводниках (ТПТ, р-і-п-диодов, солнечных элементов и др.) и применения их в программах схемотехнического моделирования, таких как p-Spice, MicroCAP и др.
Разработана методика определения плотности электрически активных локализованных состояний в щели подвижности неупорядоченного полупроводника с применением атомно-силовой микроскопии, позволяющая проводить экспресс-контроль электрофизических параметров приборных структур микро- и наноэлектроники и расширить технических возможностей зондовои микроскопии (результаты работы используются в ЗАО «НТ-МДТ», г. Зеленоград).
Разработан алгоритм управления электрическими параметрами тонкопленочных структур на основе аморфного гидрогенизированного кремния, который используется в технологическом процессе получения МДП-структур на предприятии ИМИ РАН, г. Ярославль.
На защиту выносятся следующие положения и результаты:
Учет распределения плотности локализованных состояний в щели подвижности неупорядоченного полупроводника в математических выражениях для расчета потенциала, напряженности электрического поля и ширины области пространственного заряда позволяет установить взаимосвязь между электрофизическими характеристиками материала и электрическими параметрами транзисторных и «металл-диэлектрик-полупроводник» структур.
Регистрация поверхностных потенциалов на краевом склоне полупроводниковой пленки методами зондовои микроскопии позволяет определить пространственное распределение электрического потенциала, напряженности электрического поля и заряда в тонкопленочных структурах на неупорядоченных полупроводниках.
10 3. Полученное аналитическое выражение для расчета вольтамперной характеристики обращенной тонкопленочной транзисторной структуры позволяет рассчитывать электрические параметры устройства с учетом механизмов переноса носителей заряда и распределения плотности локализованных состояний в щели подвижности неупорядоченного полупроводника, что дает возможность проектировать тонкопленочные структуры на основе неупорядоченных полупроводников с заданными электрическими параметрами
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на IV и V Международных научно-технических конференциях «Аморфные и микрокристаллические полупроводники» (г. Санкт-Петербург, 2004, 2006); 2й Международной конференции «Физика электронных материалов» (г. Калуга, 2005); XI всероссийской научной конференции студентов - физиков и молодых ученых (г. Екатеринбург, 2005); X, XI, XII Международных научно-технических конференциях аспирантов и молодых ученых «Ломоносов 2003, 2004, 2005» (г. Москва, 2003, 2004, 2005); XXXVII - XXXIX научно-технических конференциях РГРТУ (г. Рязань, 2003,2004,2005).
Публикации
Основные научные результаты диссертации опубликованы в 28 работах, включая 4 статьи в журналах из списка ВАК, 15 статей в других изданиях, в том числе в сборниках научных трудов РГРТУ, 5 тезисов докладов на российских и международных конференциях, 1 учебно-методическое издание и 3 отчетов по НИР.
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов по работе, содержит 145 страницы машинописного текста, включая 6 таблиц, 93 рисунка, 138 формул, 4 приложений и список литературы из 125 наименований.
Внедрение результатов
Полученные экспериментальные результаты использованы в ИМИ РАН (г. Ярославль) при разработке и оптимизации технологии получения МДП и транзисторных структур и приборов на их основе, ЗАО «Инструменты нанотехнологии» (г. Зеленоград) при разработке методов исследования средствами АСМ, при выполнении научно-исследовательских работ НИР18-01Г, 11-03Г, 21-03Г, 22-ОЗГ, 25-03Г, 28-04Г, 2-05Г, 38-05, 39-05, 40-05, 9-06Г, в учебном процессе: в лекционных материалах по курсам «Неупорядоченные полупроводники», «Методы исследования материалов и структур электроники» и лабораторном практикуме по дисциплинам «Основы физики полупроводников», «Физика твердого тела».
Исследования были поддержаны грантом Министерства образования и науки РФ в 2004 г. (НИР 17-04Г «Исследование тонкопленочных полевых транзисторов на неупорядоченных полупроводниках для электроники на больших площадях»).
Влияние локализованных состояний аморфного гидрогенизированного кремния на электрические свойства МДП-структуры
Рассмотрение влияния плотности локализованных состояний в щели подвижности неупорядоченного полупроводника на физические процессы, происходящие в области пространственного заряда МДП и транзисторных структур, позволит выявить наиболее значительные факторы, определяющие работу приборов на основе неупорядоченных полупроводников.
При исследовании процессов электропроводности неупорядоченного полупроводника в МДП-структуре важное место отводится выявлению влияния плотности локализованных состояний на подвижность носителей заряда (НЗ). В работах [30, 37, 42] проводились исследования влияния плотности локализованных состояний в щели подвижности полупроводника на проводящие свойства области пространственного заряда. Для этого использовались транзисторные МДП-структуры с пятью электродами (рисунок 1.20). Измеренные кривые сток-истоковых вольтамперных характеристик (ВАХ) были аппроксимированы следующим уравнением: в = М С,{ив-итУ, (1.19) где G - электропроводность канала a-Si:H; цЕ - дрейфовая подвижность, С, - емкость диэлектрика, Ug - напряжение на затворе; UT - пороговое напряжение ; у - параметр приспособления. Параметр у, как предполагается в [42], равен 1 для идеальной транзисторной МДП-структуры на кристаллическом полупроводнике.
Однако значения у, рассчитанные из ВАХ стандартной трехэлектродной транзисторной структуры занижены из-за паразитных сопротивлений сток-истоковых областей. Поэтому в [42] предлагается использовать пятиэлектродную транзисторную структуру, которая позволяет точнее оценить параметр у.
В работе [42] была выявлена зависимость подвижности НЗ от энергетической ширины ЕСВТ хвоста ПЛС зоны проводимости a-Si:H. Увеличение ЕСвт приводит к уменьшению подвижности (рисунок 1.21), и увеличению порогового напряжения на затворе транзисторной тонкопленочной структуры. При этом значение параметра у также увеличивается (рисунок 1.22).
На рисунке 1.23 представлены зависимости подвижности цРЕ и порогового напряжения UT от плотности глубоких локализованных состояний щели подвижности a-Si:H, из которых видно, что увеличение этих параметров приводит к увеличению порогового напряжения и в малой степени влияет на дрейфовую. При этом для пленок a-Si:H толщиной 50 нм значение подвижности// 0.5 ч- 0.6 см2-В 1-с"1.
При приложении напряжения на затвор транзисторной МДП-структуры происходит изменение fiFE. При этом зависимость fiFE(Ug) определяется распределением ПЛС в a-Si:H. где щ - концентрация свободных электронов в канале, цо - подвижность НЗ в зоне проводимости, Nind - концентрация наведенных зарядов в канале, К - константа, m -степенной коэффициент подвижности [43]. В работах [45, 47] такого вида зависимость для a-Si:H ТПТ представлена графически (рисунок 1.24). Но в данном случае нельзя говорить о эффективной подвижности как о действительной дрейфовой подвижности электронов, поскольку значения ее определяются из ВАХ ТПТ путем расчета по стандартным токовым зависимостям при малых напряжениях сток-исток Uds [46]: =м г-с, {и,-ит)-ил. (1.21)
При этом значения подвижности могут достигать значений 100 см2-В"1-с"1 [47], а для нанокристаллического неупорядоченного кремния 1000 см В -с"1 [45,48,49].
В области пространственного заряда (ОПЗ) полупроводника в МДП-структуре плотность подвижных зарядов определяет электрическое поле, действующее со стороны затворного, электрода на полупроводник через слой диэлектрика. Свойства ОПЗ образуют основу для анализа электрических характеристик МДП и транзисторной структуры. Мерой потенциальной энергии электрона в области пространственного заряда является электростатический потенциал ср, который характеризует искривление энергетических зон полупроводника в этой области. Значение потенциала ро вне приповерхностного слоя пространственного заряда при х—»оо задается таким образом, чтобы потенциальная энергия электрона внутри кристалла q p0 совпала со значением энергии Ферми в собственном полупроводнике Е/0 (рисунок 1.25) [50]. Значение электростатического потенциала внутри ОПЗ характеризуется величиной (р, а на самой поверхности - величиной pss (рисунок 1.25). Знак электростатического потенциала отрицателен, если зоны вблизи поверхности изогнуты вверх, и положителен, если они изогнуты вниз.
Задача экспериментального определения электрического поля и потенциала в ОПЗ a-Si:H была решена рядом исследователей [15, 51 - 55], но при этом отсутствовало теоретическое описание полученных зависимостей.
Плотность объемного заряда в области пространственного заряда МДП-структуры
Рассмотрим случай приложения к затвору МДП-структуры положительного смещения относительно подложки, что для возникшей ОПЗ будет соответствовать режиму обогащения электронами. Наличие положительного смещения на верхнем электроде МДП-структуры (рисунок 2.1) приводит к изгибу энергетических зон в полупроводнике в сторону валентной зоны, в результате чего пустые локализованные состояния выше равновесно уровня Ферми заполняются (рисунок 2.5). Для наглядности непрерывный спектр локализованных состояний представлен в виде заполненных и незаполненных дискретных уровней.
Образовавшееся распределение потенциала в ОПЗ полупроводника определяется изгибом зон [46, 50]: Напряженность электрического поля есть отрицательный пространственный градиент потенциала [46], поэтому: l dfa-EJJl dE, (2.8) F = -grad( p) = --j- = -ах \q) dx yq) dx
Возникновение объемного заряда на локализованных состояниях воздействует на количество подвижных носителей заряда, находящихся выше края Ес щели подвижности полупроводника. Значение концентрации таких носителей заряда (НЗ) в ОПЗ описывается законом Больцмана [46, 50]: q(p (2.9) кТ п(ф) = п0 - ехр кТ где щ - собственная концентрация свободных носителей, — = pt - тепловой Ч потенциал. Плотность объемного заряда в режиме обогащения определяется выражением: P{v) = q-[N{p)+nfaj\, (2.18)
Распределение плотности объёмного заряда р( р) в ОПЗ, вычисленное для принятого распределения плотности состояний g(E) (рисунок 2.2), представлено на рисунке 2.6. В (2.18) N( p)=Na((p) при (р % и N((p)=Nc((p) при (р рь, (рисунок 2.6). Графики функций Na((p), Nc( p), п((р), p( p)/q, рассчитаны при следующих значениях величин: g/o=1016з-В- -см-3, а= 4.47эВ-1,gat0= 1018зВ -см-3, а,= 14эВ-1,щ= Ш10см3.
На зависимости N( p) можно выделить область перехода от накопления заряда на локализованных состояниях щели подвижности к кристаллоподобному состоянию ОПЗ аморфного полупроводника, которая характеризуется точкой рь. В работах [9, 29] плотность заряда на всем диапазоне изменения потенциала в ОПЗ определялась как сумма концентраций глубоких состояний Na( p) и состояний в хвостах зон Nc( p). Из графика зависимости N ( p)=Na( p)+Nc(q)), представленном на рисунок 2.6 видно, что данное представление р( р) не верно и дальнейшее использование выражения N ((р) для расчета электрофизических параметров МДП-структур не допустимо.
Поэтому проведем анализ выражения (2.17). При значениях потенциала q щ плотность объемного заряда определяется концентрацией Na((p). Поэтому можно записать, что: при р %\
Как видно из графика на рисунке 2.6, роль хвостов зон проводимости существенна только при значениях потенциала (р щ, но при таких (р концентрация свободных НЗ значительно превышает Nc. Данный режим обозначен в [15, 29] как кристаллоподобный. Так при изгибе зон q p q% основной вклад в электропроводность вносят НЗ, перенос которых осуществляется по делокализованным распространенным состояниям. Поэтому полная плотность объемного заряда будет определяться в основном второй составляющей выражения (2.20). Поэтому можно не принимать во внимание в расчете концентрацию состояний в хвосте зоны проводимости. При (р рь, согласно принятому допущению: p((p) = q-n0-exp (2.21)
Таким образом, плотность объемного заряда в ОПЗ неупорядоченного полупроводника при малых значениях изгиба энергетических зон определяется, в основном, состояниями, лежащими вблизи середины щели подвижности и видом их распределения по энергии. При больших значениях поверхностного потенциала, что соответствует сильному изгибу зон, влияние локализованных состояний в хвостах зон становится незначительным, поскольку при таких условиях концентрация свободных НЗ по распространенным состояниям на один-два порядка превышают соответствующую концентрацию НЗ, захваченных на хвостах зон.
Проанализировав зависимость на рисунке 2.7 можно отметить характерные точки перегиба кривой сра и рь. Из сравнения вида полученного графика с графиком функции р((р) на рисунке 2.6 видно, что точка рь также будет определять переход к кристаллоподобному режиму функционирования ОПЗ неупорядоченного полупроводника в МДП-структуре.
Физические основы методики определения ПЛС неупорядоченного полупроводника
Существует ряд способов получения информации о ПЛС. Согласно упрощенной классификации, их можно разделить на кинетические: измерение проводимости, фотопроводимости, токов, ограниченных пространственным зарядом (ТОПЗ), эффект поля (ЭП), емкостной метод, релаксационная спектроскопия глубоких уровней (РСГУ), времяпролетный метод (ВП) и оптические, основанные на изучении фотолюминесценции, поглощения в области прозрачности, такие как метод постоянного фототока (МПФ), спектроскопия фототермических отклонений (СФО), а также структурные и другие методы, к которым можно отнести электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) [9,22,37,79, 87, 88].
Количественную информацию о ПЛС могут также дать простые измерения оптического поглощения. В случае аморфных полупроводников особый интерес представляют измерения в области прозрачности (где энергия фотона меньше оптической ширины запрещенной зоны), поскольку они позволяют определять плотность глубоких и мелких состояний в щели подвижности. Методы СФО и постоянного фототока можно рассматривать как дополняющие друг друга в том смысле, что первый из них чувствителен как к поверхностным, так и к объемным состояниям, а второй дает информацию преимущественно об объемных свойствах [87]. Комбинация этих методов в принципе позволяет определить по отдельности вклады поверхностных и объемных состояний [79,89].
Все вышеперечисленные методы, позволяют получить необходимые параметры исследуемых образцов и с помощью математических расчетов и преобразований, получить значение распределения плотности локализованных состояний. Каждый из методов имеет свои преимущества, однако большую роль играют недостатки и ограничения. Так, в времяпролетных методах и методах на основе поля измерения проводимости и фотопроводимости связаны с проблемами сопротивления контактов, изгиба зон и процессов рекомбинации на поверхности (границе раздела). Кроме того, данные о проводимости часто отражают свойства «наилучшей части» образца (в тех случаях, когда в образце имеются неоднородности). Метод ЭПР чувствителен только к парамагнитным центрам. Измерение фотопроводимости во времяпролетных методах требует применения прозрачных для света электродов. В методике электрофотографии необходимо наличие промежуточного р+ или п+ блокирующего слоя, влиянием которого пренебрегают, что не может не сказаться на результатах. Эффект поля чувствителен к поверхностным состояниям, которыми при анализе пренебрегают и значения ПЛС являются завышенными. Метод РСГУ позволяет различить поверхностные и объемные состояния, однако при воздействии на образец, эмиссия неосновных носителей заряда с поверхностных состояний начинает конкурировать с эмиссией с глубоких состояний, что накладывает ограничение на методику измерения и расчета. Также проблема емкостных измерений - низкая проводимость нелегированного a-Si:H. Измерения должны проводиться на низкой частоте для того, чтобы учесть все состояния и часто могут быть выполнены только на легированном a-Si:H, у которого ПЛС отличается от нелегированного a-Si:H [9].
Таким образом, в каждом из методов наблюдаются особенности, которые в итоге ведут к погрешностям и ошибкам в измерениях. Совместное использование и модификации этих методов дают гораздо более лучшие результаты, однако это накладывает временные ограничения на проработку методик, и затраты на разработку измерительной техники.
На сегодняшний день все большее распространение получают новые методы исследования свойств поверхности, в частности, распределения поверхностных потенциалов и электрических полей, основанные на использовании атомно-силовой и туннельной микроскопии [6, 90, 91]. Разрабатываемая методика полностью согласуется и может быть внедрена в программный комплекс нанолабораторий и нанофабрик АСМ. В частности, методика может быть использована для АСМ как средство слежения за электрофизическими параметрами тонких пленок в процессе формирования приборных структур. Основным достоинством данного ряда методов и предлагаемой методики является их сопоставимость с микро- и наноразмерными структурами электроники.
На реальной поверхности неупорядоченного полупроводника, кроме геометрических характеристик, можно различить три типа неоднородностей [92, 93]: физическую, химическую и индуцированную. Всякого рода несовершенства (отклонения от идеальности) кристаллической решетки массивного образца составляют физическую неоднородность. К химической неоднородности относятся все дефекты, обусловленные наличием в решетке посторонних атомов. Под индуцированной неоднородностью понимают неоднородность, вызванную процессом адсорбции, когда поверхность покрывается слоем посторонних атомов из окружающей среды. В этом случае заряд может создаваться, например, адсорбированными газовыми молекулами, в частности Н20.
Неоднородность поверхности существенно влияет на распределение ПЛС в полупроводнике. Присутствие на поверхности неупорядоченного материала поверхностных состояний приводит к локализации на них свободных носителей. Незаполненные ковалентные связи создают электрический слой вблизи поверхности. Поверхность полупроводника благодаря этому приобретает электрический заряд Q. В силу электронейтральности в целом этот поверхностный заряд в условиях равновесия экранируется слоем пространственного заряда, простирающегося в глубину, на дебаевскую длину экранирования Ld. Пространственный заряд Q складывается из заряда ионизированных акцептороподобных и донороподобных состояний и заряда подвижных носителей, концентрация которых, в условиях равновесия, отлична от объемной концентрации. Появление заряда на поверхности приводит к изгибу энергетических зон в неупорядоченном полупроводнике относительно равновесного уровня Ферми [92,94].
В связи с вышеизложенным, образование области пространственного заряда определяется структурными неоднородностями и разупорядоченностью решетки полупроводника и может являться мерой его дефектности. Эти изменения на поверхности можно количественно оценить с помощью измерения поверхностного потенциала
Расчет электрических характеристик транзисторной тонкопленочной МДП-структуры
При расчете вольтамперных зависимостей для тонкопленочного транзистора на a-Si:H будем руководствоваться следующим: в качестве модели ТПТ для расчета выбрана обращенная транзисторная структура (рисунок 4,1). Данная конструкция является более предпочтительной среди других, что связано с возможностью получения качественной границы полупроводник-диэлектрик, поскольку процесс нанесения слоев a-Si:H и подзатворного диэлектрика производится в едином технологическом цикле. Геометрические размеры и направление осей координат показаны на рисунке 4.1; - рассматривается п - канальный транзистор, работающий в режиме обогащения; - электропроводность а в обогащенном электронами канале определяется в основном движением электронов, поскольку Цп» fip,n» р: T = q-n-{in=(T0+Aa, (4.1) где G0=q-nQ-fd„ -удельная электропроводность собственного полупроводника, Аа- изменение электропроводности за счет индуцированных (An) носителей в канале.
Электрическое состояние области пространственного заряда в статическом режиме работы транзистора характеризуется проводимостью. Чем больше прикладываемое напряжение к затвору МДП-структуры, тем больше величина потенциала на поверхности полупроводника, тем больше ионизируется состояний, дающих вклад в общую электропроводность.
Для оценки электропроводности, как электрической характеристики ОПЗ, зависящей от распределения локализованных состояний в щели подвижности неупорядоченного полупроводника, необходимо вывести зависимость величины поверхностного потенциала в полупроводнике от прикладываемого напряжения к структуре.
В обращенной транзисторной МДП-структуре (рисунок 4.1) на поверхности полупроводниковой пленки (х = ds), падение напряжения в направлении сток-исток вдоль канала длиной L описывается следующей зависимостью: U0(y)={Ud-Us)-l, (4.2) где Ud- напряжение на стоке, Us - напряжения на истоке. Приложенное напряжение к затвору транзисторной МДП-структуре, обозначенное как AU = Ug- Uo(y), распределяется следующим образом [9,29]: AU = Ui + (Po{y)+UFB, (4.3) где Ug - напряжение приложенное к электроду затвора относительно истока, Ut -падение напряжения в слое диэлектрика, UFB - напряжение плоских зон (в первом приближении разность работ выхода металл/полупроводник), щ(у) - распределение поверхностного потенциала по длине канала.
Из закона Гаусса, можно записать, что векторы электрического смещения в диэлектрике и полупроводнике равны: А=А- (4.4) Напряженность электрического поля F0 у поверхности полупроводника выражается через поле в диэлектрике F-, толщиной di формулой: s F,=srFt, (4.5) где ss, Sj - диэлектрические проницаемости полупроводника и диэлектрика. На рисунке 4.2 представлены распределения электростатического потенциала и электрического поля в диэлектрике и полупроводнике. Зависимости построены на основании полученных выражений (р(х), F(x) (2.29), (2.30) и с учетом (4.5). Напряженность электрического поля в диэлектрике постоянно по толщине пленки d/ и равно:
На рисунке 4.3 показана зависимость (4.9), полученная численным методом в программной среде MathCAD. Электрическое поле в (4.9) определяется (2.24). В качестве диэлектрика принят нитрид кремния 6.4, полупроводник - аморфный гидрогенизированный кремний (es = 11.8) приборного качества имеет ПЛС в середине щели подвижности gf0= 10 эВ" -см . Другие значения параметров следующие: dt = 0.1 мкм, щ - Ю10 см 3, UFB =-0.51 В. При значениях подвижности НЗ /иа = 0.01 см В -с"1, участвующих в процессах переноса по состояниям щели подвижности и при цс = 0.5 см В -с"1 по распространенным состояниям a-Si:H построены графически зависимостей проводимостей от приложенного напряжения (рисунок 4.9). Значения других параметров следующие: gy0 = 1016 эВ -см 3, щ = 10ш см 3, W/L = 10, ф = 0.05 мкм, UFB = 0 В. Видно, что доминирующую роль в процессах токопереноса при напряжениях AU 2 В играют распространенные состояния зоны проводимости (AGJ, поскольку вклад переноса НЗ по локализованным состояниям на 1 - - 2 порядка ниже. В тоже время, детальное рассмотрение зависимостей AG(AU) при малых напряжениях (рисунок 4.10), или при большой плотности локализованных состояний позволяет обнаружить, что существует участок, когда проводимость НЗ по глубоким локализованным
