Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 13
1.1. Простые модели формирования барьера Шотки 13
1.2. Механизмы переноса тока в диодах Шотки . 18
1.2.1. Основные механизмы проводимости 18
1.2.2. Другие механизмы проводимости 22
1.3. Модели изменения барьера Шотки под действием приложенного обратного напряжения в присутствии постоянного поверхностного заряда 23
1.3.1. Снижение барьера из-за сил изображения 23
1.3.2. Снижение барьера, пропорциональное электрическому полю 24
1.3.3. Снижение барьера, пропорциональное электрическому полю, в диодах Шотки на основе силицид металла-кремний 25
1.3.4. Снижение барьера, пропорциональное электрическому полю, в диодах Шотки с промежуточным слоем 27
1.3.5. Снижение барьера, пропорциональное пространственному заряду, в диодах Шотки с промежуточным слоем 28
1.4. Модели снижения барьера с учетом изменения заряда поверхностных состояний под действием приложенного напряжения 29
1.4.1,Свойства поверхностных состояний 30
1.4.2. Снижение барьера в диодах Шотки под действием напряжения, поверхностные эффекты и коэффициент идеальности 31
1.4.3. Снижение барьера Шотки под действием напряжения с учетом вклада поверхностных состояний и других поверхностных эффектов 36
1.5. Методы измерения параметров барьера 39
Глава 2. Снижение барьера и рост тока в диодах Шотки с тонким окисным слоем при обратном напряжении, обусловленные суммарным действием вторичных поверхностных эффектов 42
2.1. Термоэмиссионный ток в слаболегированных диодах Шотки при обратном напряжении с учетом полевых эффектов 43
2.2. Моделирование снижения барьера в слаболегированных диодах Шотки с учетом основных поверхностных эффектов в условиях прохождения обратного термоэмиссионного тока 45
2.2.1. Высота барьера в диодах Шотки с тонким окислом 45
2.2.2. Структура поверхностного заряда в диоде Шотки для случая границы раздела с малой плотностью поверхностных состояний 48
2.2.3. Полное падение напряжения на окисном слое при обратном напряжении 49
2.3. Характеристики диода Шотки с тонким окисным слоем с учетом суммарного действия поверхностных эффектов на барьер и ток 50
2.3.1. Зависимость высоты барьера от обратного напряжения 50
2.3.2. Обратная вольтамперная характеристика диода Шотки с учетом основных поверхностных эффектов 52
Глава 3. Зависимость высоты барьера и тока в диоде Шотки от обратного напряжения и технологических параметров. Типы характеристик 54
3.1. Классификация характери стик 54
3.2. Типы зависимостей высоты барьера от обратного напряжения в диоде Шотки, соответствующие категории I 55
3.3. Типы зависимостей высоты барьера от обратного напряжения в диоде Шотки, соответствующие категории II 57
3.4. Типы зависимостей высоты барьера и тока от обратного напряжения в диоде Шотки, соответствующие категории III 58
3.4.1. Характеристики 1 и 2 типа 3.4.2. Характеристики 1 и 2 типа 0ВЯ.ІА-УЯ-4П в диодах Шотки с дискретным поверхностным акцепторным уровнем при толщинах окисного слоя ои (более 2 нм) и da. (менее 1 нм) 61 3.4.3. Характеристика 3 типа ^**BR,tD-VR-di3 в диоде Шотки типа 3 (1 нм < du < 2 нм) с двумя дискретными поверхностными уровнями донорного типа 62 3.4.4. Обсуждение характеристик 63 3.5. Типы вольтамперных характеристик IR—VR—din в случае суммарного влияния поверхностных эффектов на барьер при обратном напряжении в диодах Шотки с различными толщинами промежуточного (окисного) слоя 66 3.5.1. Несколько типов вольтамперных характеристик в диодах Шотки с тонким окисным слоем 67 3.5.2. Обсуждение обратных вольтамперных характеристик 68 3.5.3. Информация, получаемая из наборов характеристик IR~VR первого и второго типа в диодах Шотки с толстым и тонким окислом 69 3.6. Зависимость высоты барьера и тока от технологических параметров 69 3.7. Выводы к главе 3 73 Глава 4. Метод анализа данных зависимости высоты барьера от пространственного заряда полупроводника 74 4.1. Анализ данных по высоте барьера и по изменению заряда на поверхностных уровнях 74 4.2.Сравнение с другими методами анализа 79 4.3. Семейство характеристик 4 82 4.3.1. Семейство характеристик для описания зависимости высоты барьера от обратного напряжения 82 4.3.2. Семейство характеристик для описания зависимости термоэмиссионного тока от обратного напряжения 83 Глава 5. Применение обратных вольтамперных характеристик . для определения параметров барьера, параметров дискретных поверхностных уровней и толщины окисного слоя в диодах Шотки 85 5.1. Определение параметров барьера и дискретных поверхностных уровней на основе анализа зависимости высоты барьера щ от пространственного заряда Qsc 86 5.2. Графическое представление двух семейств характеристик для барьера и тока при обратном напряжении 91 5.3. О точности вычисления постоянной высоты барьера и изменений барьера 92 Выводы 94 Глава 6. Изучение влияния поверхностных эффектов на зависимость тока и высоты барьера от обратного напряжения в Au/n-Si поверхностно-барьерных детекторах излучений. Экспериментальная часть . 96 6.1. Поверхностно-барьерные кремниевые детекторы ядерных излучений 96 6.2. Интерпретация обратных вольтамперных характеристик и снижения барьера в Au/n-Si детекторах ядерных излучений на основе анализа зависимости высоты барьера <рг от пространственного заряда полупроводника Qsc 107 6.2.1. Интерпретация обратных вольтамперных характеристик первого типа и снижения барьера в Au/n-Si диодах 109 6.2.2. Интерпретация обратных вольтамперных характеристик второго типа и снижения барьера в Au/n-Si диодах 125 6.2.3. Интерпретация обратных вольтамперных характеристик других типов в Au/n-Si диодах 137 6.2.4. Влияние технологических параметров на ВАХ 138 Основные результаты и выводы 143 Введение к работе Общая характеристика работы Актуальность работы. Приборы с барьером Шотки используют контакт металла с полупроводником. Развитие теории контакта металл-полупроводник и совершенствование технологии привели к широкому применению приборов с барьером Шотки. Выпрямляющие свойства переходов с барьером Шотки используются в таких приборах, как диоды, смесители, умножители, модуляторы, переключатели, оптические преобразователи, солнечные элементы, фотодетекторы и детекторы ядерных излучений и т.п. Электрические свойства приборов с барьером Шотки тесно связаны со свойствами поверхности и границ раздела полупроводника. В течение последних сорока лет были выполнены многочисленные исследования влияния, поверхности на электрические свойства барьера Шотки. Основные результаты подробно изложены в известных книгах [1-8] и обзорах [9-14]. Миниатюризация полупроводниковых приборов повышает роль поверхности и границ раздела в работе приборов. Эта тенденция приводит к тому, что в последние годы наблюдается значительная активизация исследований электронных процессов на поверхности полупроводниковых приборов разных типов. Одной из важнейших рабочих характеристик прибора с барьером Шотки является высота барьера. Выпрямляющие свойства барьера Шотки являются предметом активных исследований до настоящего времени, но они не поняты еще до конца. В параметрах барьера, определяемых различными методами (основанными на C—V, I-V и фотоэлектрических измерениях), наблюдается значительный разброс, а также наблюдается слабая зависимость 'от работы выхода металла и др. [1-8]. В токовых измерениях наблюдаются различные типы зависимости высоты барьера от обратного напряжения, которые в большинстве случаев не объясняются теорией. В то же время различные теории 7 [4,5,15-23] удовлетворительно объясняют зависимость барьера от обратного напряжения, полученную Андрюсом и Лепселтером [15] для диодов на основе Pc^Si-n-Si, PtSi2-n-Si, ZrSi2-n-Si, RhSi2-n-Si и RhSi-p-Si. Эти проблемы не решены еще до конца. Следующие причины существуют: 1. сложность реальной структуры границы раздела между металлом и полупроводником; 2. ограниченная точность существующих методов определения параметров барьера и слабые поверхностные эффекты; 3. различные сопутствующие явления в процессе переноса носителей заряда над барьером. Другой важнейшей рабочей характеристикой прибора с барьером Шотки, наряду с высотой барьера, является обратная вольтамперная характеристика, но согласие между теорией и экспериментальными данными для большинства диодов отсутствует. Несмотря на большое количество работ, посвященных изучению токовых характеристик барьера Шотки, существует очень мало работ, связанных с интерпретацией обратных вольтамперных характеристик этого барьера [4,5,15-27]. Поэтому, несмотря на достижения в теории и технологии, использование приборов с барьером Шотки требует дальнейшей разработки теории формирования барьера контакта между металлом и полупроводником с учетом сложной структуры границы раздела, установления детальной связи между параметрами приборов и характеристиками материалов, деталями границы раздела и технологическими операциями. Также необходимо повышение точности экспериментального определения параметров барьера. Таким образом, актуальность такого исследования определяется тем, что изучение изменений высоты барьера в диодах Шотки (ДШ) дает ценную информацию о механизме формирования барьера с учетом поверхностных эффектов, о влиянии на него параметров контактирующих материалов и технологии изготовления, о параметрах барьера и поверхностных состояний. Контакт с барьером Шотки широко применяется в разных типах приборов микроэлектроники, а система золото-кремний является технически значимой 8 системой. Это направление остается до сих пор областью активных исследований, поскольку не понят до конца механизм формирования барьера (см., например, [25]). Цель работы. Целью настоящей работы была разработка теории, позволяющей описать поведение барьера и тока с учетом слабых поверхностных эффектов в широком диапазоне обратных смещений (на основе анализа данных I-V измерений) и разработка метода определения параметров барьера и поверхностных состояний в ДШ с тонким промежуточным слоем. Дополнительная цель состояла в том, чтобы дать описание поведения барьера и тока (и формулы для определения параметров барьера) в аналитическом и графическом виде, удобном для применения на практике. К другому аспекту решения этой задачи относится экспериментальная проверка полученных теоретических положений на контакте золото-кремний с естественным окисным слоем в поверхностно-барьерных детекторах ядерных излучений. Научная новизна работы. Разработана новая объединенная модель снижения высоты барьера в ДШ при обратном напряжении с учетом поверхностных эффектов. В рамках объединенной модели рассмотрены различные типы обратных вольтамперных характеристик в зависимости от вклада поверхностных эффектов и зависимости каждого из них от напряжения. Рассмотрено влияние на высоту барьера перезарядки дискретного поверхностного уровня донорного (и акцепторного) типа при обратном напряжении в зависимости от толщины окисного слоя (более 2 нм, менее 1 нм) и других поверхностных эффектов.Разработан метод анализа зависимости барьера от поверхностных эффектов, основанный на выявлении линейных участков, соответствующих постоянству заряда на дискретном * уровне, и нелинейного участка, связанного с изменением заряда дискретного уровня, например, при перезарядке дискретного уровня. Разработан метод графического анализа зависимости высоты барьера от поверхностных эффектов при обратном напряжении. Разработана методика определения параметров барьера, поверхностных состояний, а также толщины окисного слоя в ДШ с малой плотностью поверхностных состояний, основанная на зависимости обратного тока от напряжения и толщины окисного слоя. Практическая значимость работы. Полученные аналитические выражения, описывающие зависимость от обратного напряжения и толщины окисного слоя тока и барьера с учетом поверхностных эффектов, позволяют количественно связать параметры барьера и поверхностных состояний, как с параметрами контактирующих материалов, так и с технологическими параметрами. Благодаря этому, обеспечена возможность прогнозирования и оптимизации рабочих характеристик ДШ. Выражение для зависимости высоты барьера с учетом сил изображения в терминах пространственного заряда может быть применено при анализе различных типов зависимости высоты барьера от напряжения в ДШ, изготовленных по разным технологиям. Благодаря этому методу, упрощается выявление в неидеальной зависимости высоты барьера от пространственного заряда квазиидеальных участков, соответствующих отсутствию изменения поверхностного заряда, например, при перезарядке дискретных поверхностных уровней. Метод определения параметров барьера, поверхностных состояний и толщины окисного слоя в ДШ с малой плотностью поверхностных состояний (изготовленных по разным технологиям) основан на использовании данных зависимости тока от обратного напряжения и от толщины окисного слоя. Этот простой, неразрушающий метод может быть применен для контроля и оптимизации технологических процессов, для контроля и оптимизации рабочих характеристик прибора, при исследовании процессов старения и изучения 10 влияния внешних воздействий на характеристики прибора, при исследовании свойств поверхности полупроводника. Основные положения, выносимые на защиту: Разработана объединенная модель снижения высоты барьера с учетом поверхностных эффектов в ДШ при обратном напряжении, позволяющая количественно описать снижение высоты барьера при обратном напряжении вследствие влияния толщины окисного слоя и изменения заряда поверхностных состояний, заряда сил изображения и пространственного заряда в полупроводнике. В рамках объединенной модели изменения барьера при обратном напряжении с учетом поверхностных эффектов объясняются различные типы вольтамперных характеристик при обратном напряжении. Они объясняются с учетом вклада поверхностных состояний относительно вклада сил изображения и пространственного заряда полупроводника. Установлено, что линейные участки зависимости высоты барьера с поправкой на силы изображения от пространственного заряда, полученной на основе экспериментальных данных позволяют определить постоянную высоту барьера при нулевом пространственном заряде и емкость окисного слоя. Перезарядке поверхностных дискретных уровней соответствуют две постоянных высоты барьера, относящихся к состояниям опустошения и заполнения этих уровней. Разность этих высот барьера позволяет определить плотность поверхностных центров, характеризуемых этим уровнем, и энергетическое положение дискретного поверхностного уровня, локализованного вблизи уровня Ферми, относительно верха валентной зоны. Показано, что применение для анализа экспериментальных данных по барьеру и току двух семейств модифицированных высот барьера от пространственного заряда q\ - QBC (n = 1, ..., 4) и модифицированных токов от напряжения In - Fr позволяет количественно и наглядно показать влияние поверхностных эффектов на характеристики барьера и тока. Установлено, что в ДНІ с малой плотностью поверхностных состояний при обратном напряжении происходит перезарядка поверхностных дискретных уровней, локализованных вблизи уровня Ферми. В Au/n-Si диодах происходит перезарядка дискретных уровней донорного типа. Показано, что "мягкие" вольтамперные характеристики в Au/n-Si диодах имеют участок, который определяется уменьшением положительного заряда поверхностных уровней донорного типа при одновременном увеличении заряда сил изображения и положительного пространственного заряда в полупроводнике. Эти характеристики соответствуют ДШ с толщиной окисного слоя более 2 нм и перезаряжающимися поверхностными дискретными уровнями при обратном напряжении, которые преимущественно обмениваются электронами с валентной зоной полупроводника. Показано, что в Au/n-Si диодах наблюдаются вольтамперные характеристики с крутым участком. На крутом участке наклон характеристики определяется увеличением положительного заряда поверхностных уровней донорного типа, а также одновременным увеличением заряда сил изображения и положительного пространственного заряда полупроводника. Подобные характеристики соответствуют ДШ с толщиной окисного слоя менее 1 нм и перезаряжающимися поверхностными дискретными уровнями при обратном напряжении, которые преимущественно обмениваются электронами с зоной проводимости металла. Показано, что в ДТП с тонким окисным слоем величина снижения барьера в интервале напряжений, соответствующих отсутствию изменения поверхностного заряда, уменьшается с уменьшением концентрации примеси в полупроводнике, плотности поверхностных центров и толщины окисного слоя между металлом и полупроводником. ' . Публикации. Основной материал диссертации опубликован в 6 статьях, список которых приведен в конце диссертации. 12 Диссертация состоит из введения, шести глав, включая основные выводы, двух приложений и список литературных ссылок из 141 наименований. Общий объем диссертации составляет 165 страниц и включает 31 рисунок, 8 таблиц. Поверхностный барьер играет центральную роль в теории электрических характеристик контакта металл-полупроводник. Существуют четыре основных вида границы раздела в случае контакта между металлом и полупроводником [28]. Контакт типа 1 представляет собой идеальный барьер Шотки, высота барьера которого зависит только от разности работ выхода металла и полупроводника [29]. Соотношение для высоты барьера между металлом и полупроводником рв выведено Шотки и Моттом [30,31] где - работа выхода металла, Xs — электронное сродство полупроводника (работа выхода металла больше работы выхода полупроводника n-типа). Из-за разности работ выхода на поверхности металла возникает отрицательный заряд, который скомпенсирован положительным зарядом в полупроводнике. В то же время потенциальный барьер между полупроводником и границей раздела (известный, как изгиб зон) составляет y/s = q m- (pSi где ps - работа выхода полупроводника. Для контакта типа 1 характерна линейная зависимость высоты барьера от работы выхода металла. Типичным примером идеального контакта Шотки служит контакт между металлом и ионным полупроводником. Согласно модели Шотки [29], потенциальный барьер образуется неподвижным пространственным зарядом полупроводника. Аналогичные идеи о роли пространственного заряда в формировании барьера были развиты Давыдовым Б. И. [31-33]. Но экспериментальная проверка показала, что для большинства диодов зависимость высоты барьера от работы выхода металла не следуют этому простому линейному соотношению. Контакт типа 2 — барьер Бардина, высота которого почти не зависит от разности работ выхода металла и полупроводника. Бардин [34] развил модель контакта металл-полупроводник, которая учитывает поверхностные состояния и тонкий изолирующий слой. На поверхности существует непрерывное распределение плотности поверхностных состояний, которое характеризуется уровнем нейтральности „, измеряемым относительно края валентной зоны полупроводника. Высокая плотность поверхностных состояний закрепляет уровень Ферми на границе раздела вблизи уровня нейтральности и определяет высоту барьера. В этом случае высота барьера для полупроводника п-типа имеет вид: Рйп Eg Роп Здесь ЕЕ - ширина запрещенной зоны полупроводника, роп — положение уровня нейтральности поверхностных состояний относительно верха валентной зоны. В модели Бардина высота барьера сравнительно мало зависит от природы металла, образующего контакт. Это есть следствие стабилизации уровня Ферми поверхностными состояниями. Плотность дефектов, требуемая для такой стабилизации, составляет величину порядка 1014 см-2. Модель соответствует реальному случаю, когда полупроводник покрыт тонкой пленкой окисла. Хотя эта модель сильно упрощена, она широко используется для интерпретации экспериментальных данных на сколотых поверхностях полупроводника и в случаях большой плотности состояний [4]. Контакт типа 3 формируется в результате химической реакции между металлом и полупроводником. Граница раздела образуется в этом случае между кремнием и интерметаллическим соединением и удалена от поверхности. Типичным примером такого контакта служит образование контакта между металлом и кремнием. Переходные металлы и некоторые из редкоземельных металлов, при нанесении на поверхность кремния, вступают в реакцию с кремнием и образуют силициды в области контакта [4]. Силициды почти всегда являются металлами. Влияние поверхностных состояний на высоту барьера незначительно, поскольку их плотность уменьшается из-за наличия сильной химической связи между интерметаллическим соединением и полупроводником. Контакт такого типа называют модифицированным барьером Бардина. Для контакта типа 4 характерно протекание химической реакции между окислом и полупроводником. В этом случае плотность поверхностных состояний на поверхности полупроводника уменьшается по сравнению с барьером Бардина. Промежуточный слой окисла между металлом и полупроводником часто создают специально, однако он может также возникать непреднамеренно. Для контакта типа 4 выражение для высоты барьера с учетом параметров металла, полупроводника и границы раздела между окислом и полупроводником впервые было выведено Коули и Зи [35] в приближении нулевого смещения: Здесь параметр у= /(; + qSDs), где $ - диэлектрическая проницаемость промежуточного (окисного) слоя, 8 - толщина промежуточного слоя, Ds -плотность поверхностных состояний и q — заряд электрона. На рис. 1.1 представлена энергетическая диаграмма контакта металл-полупроводник с промежуточным слоем атомных размеров [35]. Поверхностные состояния непрерывно распределены в запрещенной зоне у поверхности полупроводника. Электрические (С - V, I - V) и фотоэлектрические измерения широко применяются для определения параметров барьера в диодах Шотки [1-14], Из-за простоты в этих целях наиболее широко применяются 1-У измерения. В случае чисто термоэмиссионной модели тока / зависимость In / от напряжения F, приложенного в прямом направлении, должна давать прямую линию. Экстраполяция прямых вольтамперных характеристик к нулевому приложенному напряжению определяет In /0 где величина тока насыщения /0 дает информацию о высоте барьера. Токовые характеристики реальных диодов Шотки отклоняются от идеального поведения из-за влияния различных поверхностных и объемных эффектов. Современные методы определения высоты барьера, основанные на / - V измерениях, учитывают влияние различных факторов. Перечислим методы определения высоты барьера, в которых учитывается: последовательное сопротивление [78-82], рекомбинация [83-86], туннельный ток с участием поверхностных состояний [1,2,26], полевая и термополевая эмиссия [1,2,4,5,9,87-89], краевые эффекты [90-92], неоднородности различного вида [22,47,48, 93-96], вклад толщины промежуточного слоя и поверхностных состояний [20,63,65,67,72,97-100]. В С-К методе график обратного квадрата емкости от напряжения при пересечении с осью напряжений (экстраполяция к напряжению плоских зон) позволяет определить изгиб зон при нулевом напряжении и вычислить высоту барьера [1-5]. Измерение емкости в ВЧ и НЧ режимах позволяет определить параметры поверхностных состояний. В реальных диодах Шотки наблюдаются отклонения от идеального поведения, обусловленные влиянием границы раздела и объема. Современные теории определения изгиба зон, основанные на С - V измерениях, учитывают последовательное сопротивление, вклад толщины промежуточного слоя и поверхностных состояний [100-106]. В фотоэлектрическом методе определения высоты барьера график корня квадратного величины фототока от оптической энергии дает высоту барьера при пересечении с осью энергии [3-4]. Потенциально этот метод дает самую точную величину высоты барьера. При приложении смещения снижение барьера из-за влияния сил изображения может быть определено. Определение высоты барьера из С- V и I — V измерений является надежным для диодов с малым коэффициентом идеальности и, не превышающим 1.1 и малым последовательным сопротивлением. При больших значениях п или нелинейных зависимостях In/ - V и С2 - V диоды далеки от идеальных. Описываемые виды характеристик могут быть определены с помощью экспериментальных установок в течение короткого времени, когда параметры еще не меняются. Высоты барьеров, определенные из электрических и фотоэлектрических характеристик, обычно сравниваются. Обнаружено, что во многих экспериментах, связанных с высотой барьера, существует большой разброс в данных. Причин может быть несколько. Физические модели не полностью учитывают эффекты реальной структуры границы раздела, многообразие электронной структуры границы раздела и влияние на них технологии. В то же время существующие методы определения высоты барьера имеют ограниченную точность, которая не достаточна для количественного исследования слабых пограничных эффектов. Также возможны неоднородности высоты барьера или разности работ выхода по всей площади диода. Кроме того, перечисленные выше методы могут оказывать различные возмущения на барьер в процессе измерения. Нельзя также игнорировать эффекты, связанные с различными путями токов для разных методик. Например, в фотоэлектрическом методе фототок индуцируется только в освещенной части контакта, а в токовом методе прямой ток может проходить через всю площадь диода. Современные электрические методы определения параметров барьера включают эффекты реальной структуры границы раздела контакта металл-полупроводник. Расхождение в значениях высоты барьера при сравнении величин, полученных разными методами, уменьшается. Однако до настоящего времени не установлены окончательно причины заметного различия в высотах барьеров, полученных разными методами: являются ли они особенностями метода изготовления контактов или особенностями процесса измерений. Поэтому проблема интерпретации вольтамперных характеристик, имеющая важное фундаментальное и технологическое значение, актуальна в настоящее время и является областью активных исследований. Во всех случаях прямая линия отсекает (ро — V-UQ ПО ординате при Qsc = 0. Но наклоны различны. В первом случае наклон прямой линии определяется в чистом виде обратной величиной емкости окисного слоя -СГ1. Во втором случае наклон определяется Q" , а в третьем случае связан уже не только с емкостью окисного слоя, но и с концентрацией примесных центров. Механизм снижения высоты барьера одинаков во всех случаях. Однако описание его в терминах пространственного заряда более наглядно. В рамках этого описания картина снижения барьера при обратном напряжении имеет ясный физический смысл. В отсутствии изменения поверхностного заряда снижение барьера (рі$ с увеличением обратного напряжения определяется только увеличением пространственного заряда. В то же время, описание снижения барьера %0 в терминах электрического поля, обратного напряжения или корня квадратного от обратного напряжения затрудняет интерпретацию данных и теряется наглядность. Усложняется также определение емкости окисного (промежуточного) слоя, поскольку во втором и третьем случаях наклон прямой описывается более сложными выражениями по сравнению с первым случаем. Анализ данных о высоте барьера и изменению заряда на поверхностных уровнях при различных толщинах окисного слоя Анализ зависимости рвК = р\ = f(2sc( R i)), основанной на измерениях обратного тока в партии ДШ с различными толщинами окисного слоя аГь позволяет получить дополнительную информацию типе поверхностных центров (см. раздел 3.5). В этом случае заполнение поверхностных центров меняется не только под действием приложенного обратного напряжения, но и в зависимости от толщины окисного слоя. В ДТП с толстым окислом заполнение поверхностные центры определяется преимущественным электронным обменом с полупроводником, а в ДШ с тонким окислом - преимущественным обменом с металлом. Поэтому для анализа данных о барьере, перезарядке дискретных поверхностных уровней и их типе нужно также использовать зависимость ( = f(6sc( R in)) - гДе 4i принимает значения dn (более 2 нм - толстый окисел) и di2 (менее 1 нм - тонкий окисел). Диоду Шотки с поверхностными центрами донорного типа в случае толстого и тонкого окисного слоя соответствует набор из двух типов характеристик: характеристика первого типа P2,n-Qs rda в случае поверхностного заряда Qf+mlD и характеристика второго типа qfr-Qxr-da в случае поверхностного заряда Q (0/+\D Диоду Шотки с поверхностными центрами акцепторного типа в случае толстого и тонкого окисного слоя соответствует набор из двух типов характеристик: характеристика первого типа p2,\K-Qs rd\\ в случае поверхностного заряда ?ІА 0 _) И p 2,tA Qsc—d\2 в случае поверхностного заряда Различия в изменениях высот барьеров дъ а и ріЛА в зависимости от Qsc и di связаны с различиями в изменения поверхностных зарядов ) (0/+\D И ? t_1tA при обратном напряжении и для тонкого окисла. Видно, что сравнение набора из характеристик Pi Qsz-d\\ и p 2-Qxrdi2 полученного на двух реальных ДШ с различными толщинами окисного слоя, с набором теоретических характеристик дает возможность идентифицировать тип перезаряжающихся поверхностных центров. Анализ зависимости плотности поверхностных центров, локализованных на внутренней границе раздела, от толщины окисного слоя дает возможность получить информацию о природе этих поверхностных центров, о влиянии совершенства структуры окисного слоя и полупроводника на плотность поверхностных центров. Для описания поведения высоты барьера при обратном напряжении в более обобщенном и наглядном виде составим семейство характеристик. Чтобы получить семейство характеристик на основе уравнения для барьера (2.8а) - (2.8в), введем поправки на поверхностные эффекты (на А р{, Правая часть каждого уравнения от (2.14а) до (2.14г) представляет собой разность между постоянной высотой барьера и величиной снижения барьера, когда число поверхностных эффектов последовательно уменьшается от 3 до О, соответственно. Три поверхностных эффекта (A Pj, K;SC) и Kit) зависят от напряжения (см. уравнения (2.10) и (2.11). Четвертый поверхностный эффект (Kss0) не зависит от напряжения. Предлагаемые соотношения (4.8а) - (4.8д) пригодны для количественного сравнения с экспериментальными данными. График семейства кривых рп = KQsc) (n = 1 —А) легко построить. Первоначально рассчитываются зависимости кривая р\ f()sc) и д 2 = f(?sc) (согласно уравнениям (2.4), (2.12) и (2.14)). Используются данные измерений /R-KR измерений и расчета зависимости kj = 1(KR) при известной концентрации примеси ND, а также подвижности / (диод изготовлен на основе полупроводника n-типа) При известной емкости окисного слоя С; могут быть построены далее кривые = f(Qsc) и щ = f{Qsc). Но чтобы построить еще график кривой qk = f(2sc) требуется выполнить дополнительные исследования, чтобы определить долю падения напряжения на окисном слое Fsso от постоянного поверхностного заряда (Vsso не зависит от напряжения). Например, провести исследования зависимости щ от d\. Описание поведения барьера в ДШ с помощью семейства характеристик позволяет получить наглядную информацию о влиянии разных поверхностных эффектов. Анализ и интерпретация экспериментальных зависимостей тока и высоты барьера от обратного напряжения и поверхностных эффектов выполнена для Au/n-Si поверхностно-барьерных детекторов излучений на основе разработанной модели снижения высоты барьера Шотки с учетом поверхностных эффектов. Поверхностно-барьерные детекторы ядерных излучений на основе контакта Au/n-Si с естественным окисным слоем подходят для подобных исследований, поскольку относятся к классу диодов Шотки с малой плотностью состояний. Анализировались характеристики Au/n-Si диодов, которые были изготовлены по одной технологии без применения температурных обработок, но с различной толщиной естественного слоя окисла между золотом и кремнием. В разделе 6.1 описана технология изготовления Au/n-Si поверхностно-барьерных детекторов ядерных излучений и приведены основные электрические (IV и CV характеристики) и спектрометрические характеристики. В разделе 6.2 анализируются три типа зависимости от обратного напряжения и поверхностных эффектов тока и высоты барьера в Au/n-Si диодах. Параметры барьера и дискретного поверхностного уровня были определены для 25 диодов на основе разработанной методики, использующей обратные вольтамперные характеристики (см. главы 4 и 5). Показано влияние уровня легирования полупроводника и толщины окисного слоя на высоту барьера и обратный ток Au/n-Si диодов. Обсуждаются природа этого дискретного уровня. Поверхностно-барьерные детекторы на основе структуры Au/n-Si/AI были изготовлены по стандартной технологии [111-134] из кремния n-типа с ориентацией (111). Использовался кремний n-типа от разных производителей: 1. Редкинский опытный завод (РОЗ); 2. Запорожский титано-магниевый комбинат (ЗТМК); 3. Подольский химико-металлургический комбинат (ПХМЗ); 4. фирма Waker; 5. кремний неизвестного происхождения. Кремний, полученный бестигельной зонной плавкой, имел следующие параметры: концентрация доноров No менялась в пределах двух порядков, 10и+1013 см"3 (табл. 6.1), время жизни неосновных носителей 1.8 -КЗ мс, содержание кислорода не более 10 см" . В слитках кремния плотность дислокаций Nd составляла 10см . Также два слитка были бездислокационными (образцы D10-D14 и D19-D22 выделены жирным шрифтом в табл. 6.1). Измеренная плотность дислокаций Nd в слитке кремния фирмы Waker составляла величину 6.7-104см"2 (по паспорту - 2.2-104 см"2) (образцы D23-D26 из этого слитка подчеркнуты). Технология изготовления поверхностно-барьерных детекторов включает следующие операции: резку слитков, шлифовку образцов кремния, ультразвуковую обработку в органических растворителях (трихлорэтилене и ацетоне) и деионизованной воде, химическое полирующее травление, изготовление омического и выпрямляющего контакта, монтаж в корпус. Химическое травление образцов кремния проводилось в составе HF : HN03 = 1 : 3 в течение нескольких минут. Промывка образцов проводилась в деионизованной воде сопротивлением 10 — 15 Мом-см. Приборы были изготовлены с различными толщинами базового слоя кремния от 0.3 до 4 мм. Большие толщины базового слоя кремния для тестовых приборов были сделаны, чтобы уменьшить влияние обратного контакта на характеристики прибора. Для получения выпрямляющего и омического контактов проводили испарение металлов Аи и А1 в вакууме на химически травленую поверхность Si при комнатной температуре. Активная площадь золотого контакта выбрана достаточно большой (от 0.7 до 2.5 см2), чтобы можно было пренебречь краевыми эффектами (рис. 6.1). Термический отжиг контактов отсутствовал. Для получения омического контакта напыление алюминия проводилось сразу после травления. Напыление золота проводилось в большинстве случаев после выдержки на воздухе. Технология изготовления детекторов включает использование естественного слоя окисла между золотом и кремнием [115]. Этот окисный слой образуется в результате химического травления и последующей выдержки на воздухе [116]. Присутствие слоя окисла подавляет химические реакции между металлом и полупроводником при формировании барьера, а также удаляет границу раздела от поверхности. Протекающая химическая реакция между кислородом воздуха и кремнием способствует уменьшению плотности поверхностных состояний, связанных с дефектами структуры границы раздела окисел-кремний [111,112]. Для исследования изготавливались диоды с различной толщиной окисного слоя. Толщина окисного слоя определяет преимущественный электронный обмен поверхностных центров с полупроводником (более 2 нм) или с металлом (менее 1 нм) (см. главы 2-4). Образцы кремния после травления выдерживались на воздухе перед напылением золота. Было две группы образцов. Для нескольких образцов напыление омического и обратного контактов выполнялось сразу после травления. Для другой группы образцов время выдержки на воздухе перед напылением металла варьировалось: нескольких часов, одни сутки, двое суток. Данная методика позволяет получать толщины окисного слоя на кремнии порядка от 0,5 до 10 нм [115,116]. Для исследования были отобраны 25 приборов, которые имели энергетическое разрешение не хуже 25 кэВ (менее 0.5 %) при регистрации излучения а - частиц с энергией 5,5 МэВ (рис. 6.2). Это энергетическое разрешение свидетельствует о малых потерях заряда при взаимодействии неравновесных носителей заряда с глубокими примесями в объеме и на поверхности. Средние значения обратных токов составляли менее 0.5 мкА/см при 500 В (рис. 6.3).Снижение барьера, пропорциональное электрическому полю, в диодах Шотки на основе силицид металла-кремний
Моделирование снижения барьера в слаболегированных диодах Шотки с учетом основных поверхностных эффектов в условиях прохождения обратного термоэмиссионного тока
Типы зависимостей высоты барьера от обратного напряжения в диоде Шотки, соответствующие категории I
Анализ данных по высоте барьера и по изменению заряда на поверхностных уровнях
Похожие диссертации на Исследование эффекта понижения высоты барьера в поверхностно-барьерных детекторах ядерных излучений на основе структуры золото-кремний
