СОДЕРЖАНИЕ
стр.
ВВЕДЕНИЕ. 5
ГЛАВА 1. ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ С ТОНКИМИ ПЛЕНКАМИ
ШИР0К03011НЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ ТИПА МП'ДП 10
1Л. Электростатические характеристики МП'ДП гетероструктур. 10
1.1.1. Распределение потенциала в монокристаллических полупроводниковых слоях при толщинах, сравнимых с дебаевской длиной экранирования.......................... 12
1.1.2. Электростатические модели многослойных структур на базе системы диэлектрик-полупроводник.................... 16
1.1.3. Модель идеальной МГГДП структуры.................. 24
1.2. Влияние локализованных зарядов в диэлектрике и в слое П'
на электростатические характеристики МП'ДП структуры 28
1.2.1. Влияние фиксированного заряда в Д................. 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 Оа£е$ в квазизамкнутом объеме 38
Цели и задачи....................................... 43
ГЛАВА 2. ФОРМИРОВАНИЕ ПЛЕНОК ва&з И ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ПОЛЕВЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ Ме~ ва^ез - 5/ 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
2
гетероструктур типа МДГ1 на основе кремния.................. 50
2.3. Высокочастотные вольт-фарадные характеристики гетероструктур Ме - ва^ез - 5/ с различными металлическими
контактами................................................ 57
Выводы.................................................. 59
ГЛАВА 3. МОДЕЛЬ МП’ДП СТРУКТУРЫ С УЧЕТОМ КОНТАКТНОЙ РАЗНОСТИ ПОТЕНЦИАЛОВ МП' И ЦЕНТРОВ
ЛОКАЛИЗАЦИИ ЗАРЯДА В Пт И НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА П'Д 62 ЗЛ. 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 С-Г 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 МП'(Д)П СТРУКТУРЕ................................................... 97
4.1. Определение сродства к электрону для Оа2$ез из исследования внутренней фотоэмиссии в гетероструктуре ва^вз
- (ЯКУ®...................................................... 97
4.2. Энергетическая диаграмма гетероструктуры Ме - Са?Дез -(576У«$7 и туннельный механизм участия центров локализации заряда Са£ез в ПЭС кремния................................. 102
4.3. ВЧ С-У характеристики гетероструктуры Ме - Са^ез -(57(9*157 на основе £г р-типа............................... 110
3
Выводы...................................................... 114
Основные выводы и результаты............................................. 115
Литература............................................................... 116
4
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы.
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 [1-3]. В настоящее время основным материалом сверхскоростных сверхбольших интегральных схем (ССБИС) остается кремний [1-4]. Технологии современной кремниевой микроэлектроники достигли высочайшего уровня и постоянно совершенствуются [4, 5]. Возможно, что уже достигнут предел по быстродействию кремниевых МДП элементов, связанный с физикохимической природой границы раздела термическая двуокись кремния-кремний (5702 - ^О, структуры металл-окисел-полупроводник: МОП -структуры [4, 6-11].
Одно из направлений совершенствования кремниевых МДП - систем заключается в использовании вместо диэлектрика пленок широкозонных полупроводников с толщинами много меньшими дебаевской длины экранирования (слой Пг) [12-14]. В этом случае возможен выбор материала слоя ГГ с параметрами кристаллической решетки максимально близкими к решетке кремния. Такая изорешеточная система ва^ез - 5/ предложена в качестве полевой гетероструктуры в работах Б.И. Сысоева, В.Ф. Сынорова еще в 1974 году [15]. Ее реализация стала возможной только после разработки способа получения тонких монокристаллических пленок полупроводниковых соединений в квазизамкнутом объеме из независимых источников [16-19]. Изучены механизмы токопрохождения в полевых гетероструктурах А1 -(газ&з - 5У (я, р -типа) и параметры электронных состояний в этой системе
5
[18, 19]. Однако, возможность использования данных слоистых структур в конкретных устройствах твердотельной электроники ограничивается 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.рег. 01960012699) при частичной финансовой поддержке гранта РФФИ № 03-02-96480.
Целью работы явилось установление закономерностей влияния термодинамической работы выхода металла контакта на электронные процессы в гетероструктурах Ме - Са2Зе3 ~ & и выбор условий использования этих гетероструктур в качестве полевых с минимальным вкладом центров локализации заряда в электронные процессы.
Для достижения цели решались следующие задачи:
• формирование гетероструктур Ме - Са28е3 - Я с различными металлическими контактами и исследование их электрофизических характеристик
• моделирование электростатических характеристик гетероструктур типа МГГДП с учетом влияния центров локализации заряда в слое ГГ (на границе раздела ГГД) и контактной разности потенциалов (КРП) МП';
• определение устойчивости параметров границы раздела к облучению у -квантами;
• построение энергетической диаграммы гетероструктуры Ме - Са28е3 - Я;
• определение условий использования гетероструктур Ме - Са28е3 - Я в качестве полевых.
6
Для изучения структуры получаемых слоев использовался метод элекгроннографии «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 МП'ДП структур и построения их энергетических диаграмм.
Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы математического моделирования, численные методы интегрирования и решения дифференциальных уравнений второго порядка. Исследование характеристик слоистых структур проводилось методами вольтфарадных, вольтамперных характеристик и измерением дифференциальной проводимости в зависимости от внешнего напряжения и температуры.
Научная новизна.
1. Впервые рассмотрена модель электростатических характеристик МП'ДП гетероструктуры учитывающая совокупное влияние КРП между слоями структуры, типа, концентрации и энергетического положения центров локализации заряда на границах П'Д и ДП.
2. Предложена модель устойчивости этих гетероструктур к радиационным воздействиям основанная на участии кислорода, растворенного в ^'-подложке в формирование электронных состояний на поверхности 57 в процессе термического отжига и в результате радиационного воздействия.
3. Показано, что электронные состояния в пленке Оа^е3 на границе с диэлектриком могут проявляться как состояния в 57 и-типа за счет туннельного обмена зарядом между ОПЗ в 5/ и в пленке Са2Зе3.
1
Практическая значимость.
1. Установлена радиационная устойчивость к у-облучению гетероструктур А1 - йа^ез - Я (/7-типа);
2. Установлено, что проявление ПЭС в Я в гетероструктурах Pt - Са28е3 -(ЯСУЯ п - типа основано на туннельном обмене зарядом между ОПЗ в £7 и центрами локализации заряда в пленке Оа2Без у границы раздела (£70*);
3. Обоснована принципиальная возмоленость использования гетероструктур Ме - Са^ез - (ЯО*)Я на основе Я р-типа в качестве полевых с инверсионным каналом /7-типа. В качестве материала затворного слоя гетероструктур типа Ме - Са28е3 - (ЯСЦЯ на основе Я «-типа можно использовать металлы с термодинамической работой выхода, близкой к Хм (поликремний «+-типа), а для структур на основе Я/>типа -кхп (поликремний //-типа).
На защиту выносятся следующие положения:
• формирование ПС границы раздела в процессе радиационного воздействия связано с выделением у поверхности кремния комплексов ЯОт, а наблюдаемый "радиационный отжиг" является результатом коалесценции ЯО,м в фазу Я О* на поверхности подложки, что объясняется подобием характера энергетических спектров Г1С границ разделов Оа28е3 - Я и 8Ю2 - Я. Повышенная радиационная стойкость гетероструктур А1 - Оа28е3 - Я («-типа) к у - облучению объясняется снижением концентрации растворенного в Я -подлохске кислорода в процессе формирования гетероструктуры и последующей ИФО.
• проявление ПЭС в Я в гетероструктурах Р( - Оа28е3 - (ЯО^Я п - типа основано на туннельном обмене зарядом между ОПЗ в Я и центрами локализации заряда в пленке Оа28е3 у границы раздела с (Я0Л);
• для снижения эффектов, проявляющихся как ПЭС в Я и связанных с туннельным обменом свободных зарядов из Я с центрами локализации заряда в Са28е3, в полевых гетероструктурах типа Са28е3 - (ЯСУЯ на Я «-типа можно использовать в качестве материала подзатворного слоя металлы с
8
термодинамической работой выхода, близкой к Хл1 (поликремний и+-типа), а для структур на основе Я р-типа - к хр1 (поликремний //-типа). Наиболее перспективны для использования в полевых транзисторных структурах гетеропереходы ба^&з-Я на основе Я /?-типа, поскольку в этом случае минимально влияние ПЭС и относительно высоко значение разрыва энергии дна зоны проводимости на границе раздела (~ 0,7 эВ), что и
обеспечивает возможность использования этого гетероперехода для п-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); ХЬ отчетная конференция ВГТА 2001 г.; Х1Л отчетная конференция ВГТА 2002 г.; ХЫ1 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.
9
ГЛАВА 1. Гетероструктуры с тонкими пленками широкозонных полупроводников типа МГТДП (Литературный обзор)
1.1. 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 междуслойных границ. Для нахождения распределения потенциала решается уравнение Пуассона с двумя граничными условиями, отражающими поведение электростатического потенциала (у) или напряженности электрического поля (Ё = -%гас1(р) 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
<*2<Р р{х)
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
10
- Київ+380960830922