WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 5 Управление характером токопереноса в барьере Шоттки с помощью -легирования: расчет и эксперимент для Al/GaAs © В.И. Шашкин¶, А.В. Мурель, В.М. Данильцев, О.И. Хрыкин Институт физики микроструктур Российской академии наук, 603950 Нижний Новгород, Россия (Получена 15 октября 2001 г. Принята к печати 30 октября 2001 г.) Рассматривается возможность управления эффективной высотой барьера в диодах Шоттки при введении -легированного слоя вблизи контакта металл–полупроводник. Уменьшение эффективной высоты барьера связано с возрастанием роли туннелирования носителей через барьер. Для барьеров Шоттки к n-GaAs проведен полный квантово-механический численный расчет влияния параметров -слоя (концентрации и глубины залегания) на вольт-амперные характеристики модифицированных диодов. Сравнение полученных расчетных результатов с экспериментальными характеристиками диодов, изготовленных методом газофазной эпитаксии из металлорганических соединений, показывает достаточно хорошее согласие. Анализ проведенных исследований позволил выбрать оптимальные параметры -слоев для получения низкобарьерных диодов ( 0.2эВ) с удовлетворительным коэффициентом неидеальности (n 1.5). На основе таких структур возможно изготовление микроволновых диодов для детектирования без смещения.

1. Введение поле контакта, будет вдвое меньше, чем для случая однородного легирования. Собственно поэтому подход Транспортные характеристики контактов металл– с использованием -легирования представляется более полупроводник, изготовленных в чистых эпитаксиаль- перспективным и в задачах получения малого эффективных или сверхвысоковакуумных условиях, являются вос- ного барьера, 0.2-0.25 эВ, при сохранении небольших производимыми и достаточно хорошо изученными [1]. значений коэффициента неидеальности, n 1.5. Важно Токоперенос в основном определяется параметрами по- еще, что значения поверхностной концентрации зарятенциального барьера Шоттки в полупроводнике вблизи женных доноров N2D (например, Si) в -слое в GaAs границы с металлом. В частности, для арсенида галлия могут превышать 1013 см-2. При этом снижение высоты с умеренной концентрацией электронов (< 1018 см-3) барьера на 0.6-0.8 эВ обеспечивается при расстояних xбарьер Шоттки имеет высоту в пределах 0.6-1.0эВ для от границы металла до плоскости легирования 4-6нм.

более чем 40 распространенных металлов [1–3]. В неко- На рис. 1 показана эта практически важная область параметров легирования в координатах N2D — x0. Линия торых пределах высоту барьера можно изменять путем дополнительного сильного легирования приповерхност- соответствует границе обеднения -слоя при нулевом смещении и исходной величине барьера 0 = 0.7эВ в ной области полупроводника [1,2]. Неэпитаксиальные соответствии с зависимостью [7] методы, основанные на имплантации или вплавлении примеси, обеспечивают малый диапазон регулирования 0 = q/0N2Dx0, (1) высоты барьера или приводят к неоднородности и плохой воспроизводимости [2,4]. Более успешным оказалось где q — заряд электрона, — относительпрецизионное легирование в ходе эпитаксии, реализоная диэлектрическая проницаемость полупроводника, ванное в работах [5,6] для контролируемого снижения 0 = 8.85 · 10-14 · см-1. На вставках схематически эффективной высоты барьера в n-GaAs (100). Различие показан ход края зоны проводимости по разные стороны в подходах было связано с использованием техники от границы. При объемном легировании кремнием до -легирования в работе [5] и однородного легировазначений 6 · 1018 см-3, близких к предельной конценния — в работе [6]. Очевидно, что в обоих случаях притрации электрически активных примесных атомов Si чиной снижения эффективной высоты барьера является в GaAs, для получения той же самой поверхностной конвозникновение термополевой компоненты тока. В случае центрации заряженных доноров 1013 см-2 требуется более сильного легирования ток становится туннельгораздо большая толщина слоя x0, 17 нм. Следствием ным, в пределе возможно получение омического контакэтого может быть падение туннельной прозрачности та [7–9]. Если касаться способа легирования, то еще в вместе с усилением ее зависимости от напряжения работе [10] было отмечено, что в рассматриваемых задасмещения и, соответственно, рост коэффициента неидечах -легирование эквивалентно сверхвысокому уровню альности n [6,11].

объемного легирования. Это связано с очевидным обВ данной работе, продолжающей публикации [5,12], стоятельством, что при одинаковых поверхностных конпоказана возможность получения низкобарьерных концентрациях легирующих доноров расстояние от металла тактов к n-GaAs (100) при сохранении небольших значедо -слоя, полностью экранирующего электрическое ний фактора неидеальности. Представлены результаты ¶ E-mail: sha@ipm.sci-nnov.ru детальных численных расчетов, начиная с определения 538 В.И. Шашкин, А.В. Мурель, В.М. Данильцев, О.И. Хрыкин ный эпитаксиальный слой с концентрацией электронов n- = 2 · 1016 см-3 толщиной 100 нм; -слой атомов кремния с поверхностной концентрацией N2D; затем покрывающий нелегированный слой GaAs толщиной x0;

наконец — металлический контакт. Размытие -слоя в направлении x аппроксимируется гауссианом:

N2D 1 x - x0 n(x) = exp -, (2) x 2 x где x — стандартное отклонение, которое в расчетах принимается равным 0.5 нм [7]. Кроме того учитывается понижение высоты барьера за счет сил зеркального изображения. Температура полагается комнатной. При расчетах не учитываются эффекты квантования в потенциальной яме -слоя, поскольку в данном исследовании основные результаты относятся к случаю его полного обеднения.

Рис. 1. Область параметров -легирования структуры с барьером Шоттки. Линия соответствует границе обеднения -слоя при нулевом смещении и 0 = 0.7 эВ. На вставках выше и ниже этой границы схематически пoказан ход края зоны проводимости EC в структурах. Точки — экспериментально реализованные значения параметров. Указана область параметров для формирования омических контактов.

зонного профиля и заканчивая вычислениями вольтамперных характеристик (ВАХ). Проведено сопоставление с экспериментальными ВАХ. Практическое значение такого исследования достаточно очевидно и обусловлено, например, потребностью в низкобарьерных диодах для детекторов микроволнового излучения, не требующих постоянного рабочего смещения [12,13]. Не исключены и другие применения, использующие возможности технологии для получения невплавных омических контактов [5,7,8], что может быть важным для приборов с нанометровыми размерами активных областей.

2. Методика вычислений Численный расчет транспортных характеристик модифицированного контакта металл–полупроводник проводился в две стадии. На первой стадии путем решения одномерного уравнения Пуассона (см., например, [14]) вычислялся ход края зоны проводимости вдоль координаты x в глубь полупроводника при различных приложенных напряжениях смещения V. Профиль легирования считался заданным, а легирующая примесь — полностью ионизованной. Последовательность Рис. 2. Расчет потенциала модифицированного барьера Шотслоев в структуре принималась близкой к экспериментки. a — x0 = 2, 5нм; N2D, 1012 см-2: 1 —0, 2 —4, 3 —8, тальной: сильно легированная подложка с концентра4 — 12, 5 — 16. b — N2D = 8·1012 см-2; x0, нм: 1 —0, 2 —2.5, цией электронов n+ = 2 · 1018 см-3; слабо легирован- 3 —5, 4 — 10, 5 — 15, 6 — 30, 7 — 60.

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. Управление характером токопереноса в барьере Шоттки с помощью -легирования... Примеры расчета потенциального барьера контакта 3. Методики экспериментов металл–полупроводник без внешнего смещения при двух комбинациях x0 и N2D приведены на рис. 2, a и b со- Эпитаксиальные структуры арсенида галлия выраответственно. Видно возникновение вследствие -леги- щивались методом газофазной эпитаксии из металлрования острого треугольного „клюва“ на вершине ба- органических соединений (МОГФЭ) при температурах рьера, туннельная прозрачность которого, собственно, 600-650C. Параметры слоев соответствовали указани приводит к снижению эффективной высоты барьера ным в предыдущем разделе. В ходе экспериментов для электронов. При одновременном увеличении N2D варьировались величины N2D и x0. Они показаны точи x0 у его подножия возникает потенциальная яма, ками на рис. 1. Техника выращивания методом МОГФЭ заполненная электронами. и диагностики -слоев описана в работе [15]. ЗначеНа следующей стадии для рассчитанного потенци- ния N2D оценивались из измерений на тестовых струкального барьера решается уравнение Шредингера ме- турах, где аналогичные -слои выращивались на глутодом матрицы переноса [11]. Рассчитывается коэффи- бине 0.15-0.2 мкм, что позволяет характеризовать их циент прохождения электронов T в зависимости от методами Холла и вольт-фарадных характеристик. Было энергии электронов E и приложенного смещения V, показано, что в условиях МОГФЭ слоевая концентрация которое определяет форму потенциального барьера.

носителей ns совпадает с введенной концентрацией доПоследующее интегрирование коэффициента прохожде- норов N2D до значений 6· 1012 см-2, а далее насыщается.

(E, ния T V ) по всем занятым электронным состояниям После окончания роста арсенида галлия температура в полупроводнике и всем свободным электронным сов ростовой камере уменьшалась до 160-200C и без стояниям в металле дает плотность тока носителей из вскрытия реактора и нарушения ростовых условий выполупроводника в металл jS-M. Аналогично вычисляетращивался слой алюминия толщиной 100 нм. В ряся плотность тока из металла в полупроводник jM-S, а де случаев проводилось дополнительное послеростовое их разность дает общую плотность тока в диоде Шоттки:

напыление алюминия. Методом фотолитографии и химического травления формировались диоды с диаметj(V ) = jS-M - jM-S ром металлического контакта 10-500 мкм и с глубиной мезы 0.2 мкм. Обратный омический контакт создавался 2q путем электрохимического осаждения GeNi + Au с по = T (E, V ) · f (E) - f (E) dE, (3) EF EF-qV hследующим вжиганием.

EC Вольт-амперные характеристики диодов измерялись при комнатной температуре. Значения эффективных выгдe f (E) и f (E) — функции распределения EF EF -qV сот барьеров eff извлекались стандартным способом Ферми в полупроводнике и металле соответственно.

Коэффициент прохождения предполагается не завися- из измеренных ВАХ в предположении, что зависимость близка к первому приближению теории термополевой щим от момента электрона, параллельного границе эмиссии [12]:

металл–полупроводник, поэтому выражение для тока можно проинтегрировать в поперечных направлениях, в eff(V ) qV результате чего получается следующее выражение для jTE = AT exp - exp - 1, (5) тока [9]: kBT kBT где A — модифицированная постоянная Ричардсона. ЗаAT j(V ) = T (Ex, V ) висимость эффективной высоты барьера eff от напряжеkB EC ния смещения определяет фактор неидеальности контакта металл–полупроводник. В отсутствие -легирования S 1 + exp (Ex - EF) kBT высота барьера eff составляет 0.7эВ, n = 1.04-1.06.

ln dEx, (4) S exp(-qV /kBT ) +exp (Ex - EF) kBT 4. Обсуждение результатов где Ex — часть энергии электрона, соответствующая S его движению по оси x, EF — энергия уровня Ферми эксперимента и численных расчетов в полупроводнике, T — температура, kB — постоянная Эффект управления эффективной высотой барьеров Больцмана. Проводя численный расчет интеграла при иллюстрирует рис. 3, где приведены измеренные и различных напряжениях смещения, можно получить рассчитанные ВАХ диодов с -легированием в пределах ВАХ заданной структуры. Необходимо отметить, что в рассчитанных ВАХ не учитывались последовательное (4-16) · 1012 см-2 в плоскости, отстоящей от металла и параллельное сопротивления, которые всегда присут- на 2.5 нм. Видно, что рассчитанные ВАХ имеют хорошее ствуют в реальных диодных структурах. Учет сопро- качественное согласие с экспериментальными. Подобтивлений, как это сделано, например, в [6], позволил ные расчеты и эксперименты были проведены для более бы добиться более точного совпадения рассчитанных и глубокого расположения плоскости легирования, 5 нм.

экспериментальных ВАХ. Во всех случаях были определены эффективные высоты Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 540 В.И. Шашкин, А.В. Мурель, В.М. Данильцев, О.И. Хрыкин ли это условие перестает выполняться, показала вторая серия экспериментов.

Во второй серии экспериментов фиксировалась поверхностная плотность доноров N2D и изменялась глубина x0 в интервале 2.5-60 нм. Экспериментальные и рассчитанные ВАХ для случая N2D = 4 · 1012 см-приведены на рис. 5, a и b соответственно. Видно, что с ростом x0 сначала наблюдается уменьшение эффективной высоты барьера eff, а затем — рост, обусловленный падением туннельной прозрачности потенциального барьера между металлом и -слоем. Минимальное достижимое значение eff 0.33 эВ (кривая 2) для N2D = 4 · 1012 см-2 соответствует x0 10 нм. Из рисунка видно, что расчет достаточно хорошо предсказывает детали поведения ВАХ, например, образование двух участков насыщения на обратной ветви, что связано с изменением суммарного поверхностного заряда в -слое при заполнении его электронами при изменении внешнего напряжения смещения. Немонотонная зависимость эффективной высоты барьера eff от глубины расположения -слоя x0 при двух значениях N2D приведена на рис. 6, a. Обработка рассчитанных ВАХ для тех же значений поверхностной концентрации примеси в -слое дает очень близкие результаты, как показано на том же рисунке. С ростом N2D минимум eff(x0) достигается при более близком расположении -слоя от контакта металл–полупроводник. На рис. 6, b показано, как меняется рассчитанный фактор неидеальности в зависимости от глубины залегания -слоя xдля двух значений N2D. Обращает на себя внимание рост фактора неидеальности n в области x0 10 нм, Рис. 3. Вольт-амперные характеристики модифицированных диодов Шоттки: a — эксперимент; b —расчет. x0 = 2.5нм;

N2D, 1012 см-2: 1 —4, 2 —8, 3 — 12, 4 — 16.

барьеров, которые показаны на рис. 4 в зависимости от слоевой концентрации. Как видно из рисунка, эффективная высота барьера линейно уменьшается с ростом поверхностной концентрации, и это означает, что представление о туннельно-прозрачном „клюве“ над непрозрачным классическим пьедесталом является хорошей физической идеализацией. Чем глубже расположен -слой, тем сильнее может быть уменьшение эффективРис. 4. Изменение эффективной высоты барьера в зависимоной высоты барьера (рис. 4, кривая 2), но лишь при сти от уровня -легирования для двух расстояний -слоя от условии сохранения достаточно большой туннельной контакта металл–полупроводник. x0 = 2.5 (1, 1 ) и 5 нм (2, 2 ).

прозрачности треугольного барьера. Что происходит, ес- 1, 2 —расчет, 1, 2 — эксперимент.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.