WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 12 Кинетика экранирования электрического поля в области объемного заряда с каналом утечки и низкотемпературная проводимость поверхностных каналов в высокоомном n-Si © Н.И. Бочкарева, А.В. Клочков Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 7 июля 1998 г. Принята к печати 8 июля 1998 г.) На основе экспериментального изучения проводимости поверхностных каналов в n-Si рассматривается кинетика экранирования электрического поля в области объемного заряда с проводящим каналом протекания.

Оценены характерные времена быстрой и медленной стадий релаксации объемного заряда на границе с каналом после переключения обратного напряжения. На основе предложенного механизма релаксации тока канала объяснены наблюдающаяся большая величина высокочастотной проводимости поверхностных каналов в n-Si и формирование емкостных релаксационных спектров, подобных спектрам, традиционно связываемым с перезарядкой глубоких центров. Обсуждается природа поверхностных донорных центров, ответственных за образование проводящих слоев на интерфейсе Si–SiO2 вблизи 90 K.

1. Медленную по сравнению с максвелловской релак- римент, канал утечки обнаруживает себя в характерсацией динамику объемного заряда, наблюдаемую при ных особенностях статических, высокочастотных и пеэкранировании электрического поля в полупроводнике реходных характеристик барьерной структуры, что дает с потенциальным барьером, обычно связывают с при- возможность отделить эффекты глубоких центров от сутствием глубоких центров и их перезарядкой. Этот размерных эффектов в каналах утечки. В связи с этим подход развит в моделях перколяционной электропровод- представляется необходимым изучить эти особенности ности через дрейфовые барьеры [1,2] и лежит в основе и рассмотреть модель перколяционной проводимости методов идентификации глубоких центров с помощью канала утечки.

измерений барьерной емкости [3]. Возможность медлен- Интерес к этой модели связан также и с новыми эксных электрических переходных процессов, связанных с периментальными возможностями. Обнаруженные в Ge экранирующими токами в канале протекания или канале и Si общие закономерности немонотонного изменения утечки, при этом не анализируется. Так, при обосновании поверхностной электронной плотности с температурой метода емкостной спектроскопии глубоких центров по- и тенденции к образованию на поверхности электронстулировалась его нечувствительность к поверхностным ных слоев (при T 90 K) связывались с кислородканалам утечки тока [3]. Это предположение основано и водородсодержащими донорными комплексами и изна упрощенном модельном представлении канала как менением их электроотрицательности в районе ”собактивного сопротивления, шунтирующего емкость барье- ственных” температур [8–9]. Выявление этих общих ра [4]. При этом многочисленные трудности в интерпре- закономерностей по нашему мнению, дает возможность тации данных эксперимента, указывающих, в частности, продвинуться в изучении электронных свойств гетерона связь измеренной переходной емкости с обратными границы полупроводник-оксид, в частности, механизма токами, разрешались лишь путем усложнения модели образования в оксиде встроенного заряда. Эти исследоперезарядки гипотетических глубоких центров (см., на- вания могут также дать новую информацию, касающуюся пример, [4–5]). Между тем еще в ранних работах была механизма влияния кислородных и водородных центров замечена реактивность высокочастотного сопротивле- на низкотемпературную проводимость оксидов, учитыния [6], а также медленная динамика переходного тока [7] вая важную, но еще не полностью выясненную роль каналов утечки, механизм которых не был выяснен. В различных форм существования кислорода и водорода Ge и Si наблюдались температурные релаксационные в оксидах в механизме их проводимости и сверхпровоспектры, связанные с переходными токами поверхност- димости [10–11].

ных электронных каналов утечки и их зависимостями от Цель настоящей работы — с помощью изучения токотемпературы и плотности структурных дефектов [8,9]. вого отклика поверхностных каналов в диодах Шоттки на В работе [9] сделана попытка связать увеличение вре- n-Si рассмотреть качественную модель перколяционной мени экранирования с размерными эффектами на длине проводимости канала утечки и на основе анализа реДебая в канале. В реальных барьерных структурах при зультатов сделать некоторые предположения о природе исследовании глубоких центров емкостными методами низкотемпературных поверхностных донорных центров.

основной вклад в релаксационный сигнал может вно- 2. Исследования выполнены на высокоомном n-Si с сить переходной реактивный ток поверхностного канала удельным сопротивлением = 2кОм · см. Пластины утечки, а не переходной ток смещения, обусловленный кремния с ориентацией (100) окислялись в сухом киперезарядкой глубоких центров. Как показывает экспе- слороде или хлорсодержащей атмосфере при темпераКинетика экранирования электрического поля в области объемного заряда с каналом утечки... туре 750 или 1050C в течение 1 ч. При этом в часть образцов были введены приповерхностные окислительные дефекты упаковки (ОДУ) с глубиной проникновения (< 1мкм), меньшей равновесной ширины области объемного заряда (w0) приповерхностного барьера. Методика введения ОДУ описана в [9,12]. После удаления слоя окиси в HF на поверхности с ОДУ напылением Au (в вакууме) создавались барьеры Шоттки диаметром 3 мм и омические контакты на тыльной поверхности химическим осаждением Ni.

3. Характерной особенностью ”мягких” обратных вольт-амперных характеристик (ВАХ) исследованных диодов является тенденция к сублинейности в области напряжений U < 1 2В и U > 410 В и сверхлинейности в области промежуточных напряжений (рис. 1). Ток утечки составлял 10-8 10-5 А при 300 K и U = 1В.

В зависимости от режима окисления при охлаждении наблюдалось как уменьшение, так и увеличение тока утечки (рис. 1).

На рис. 2 вольт-емкостные характеристики (кривые 1, 2) сравниваются с расчетными зависимостями Рис. 2. Вольт-фарадные характеристики (1, 2) и рассчитанные барьерной емкости от напряжения Cg(U) для барьера зависимости барьерной емкости от напряжения (3, 4). T, K:

Шоттки высотой 0 = 0.15 и 0.8 эВ (кривые 3, 4). Из 1 — 300, 2 — 80; 0, эВ; 3 — 0.15, 4 — 0.8. На вставке рисунка видно, что при 300 K и U < 1 В измеренная температурные зависимости емкости C(T) при напряжении смещения U, В: 1 —8, 2 —4, 3 —2.

Рис. 1. Вольт-амперные характеристики диодов Шоттки на Рис. 3. Температурные зависимости статической проводимо основе n-Si, окисленного в сухом кислороде (1–7) и в хлорсо- сти G (1, 9, 10), активной высокочастотной проводимости G держащей атмосфере (1 -7 ). T, K: 1, 1 — 80; 2, 2 — 125; (2–5), модуля комплексной высокочастотной проводимости | | 3, 3 — 165; 4 — 185, 4, 5 — 210; 5, 6 — 245; 6 — 282, (6–8) диодов Au–n-Si и проводимости G образца n-Si (11).

7, 7 — 300. Вставка иллюстрирует характер изменения про- Окисление поверхности кремния производилась в сухом киводимости диодов (G) с напряжением при T, K: 1 — 80, слороде (1–8, 11) и в хлорсодержащей атмосфере (9–10) при 2, 3 — 165. T, C: 1–10 — 1050, 11 — 750. U, В: 1 —0.1, 2, 7 —4; 3 —2, 4, 8–9 —1; 5 —0.3, 6 —8, 10 —7, 11 —6., мВ: 2–8 — 50;

f = 160 кГц.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 1434 Н.И. Бочкарева, А.В. Клочков напряжения на стоке и со снижением внутреннего барьера для электронов продольным электрическим полем E(x) [13–15]. Характер ВАХ указывает на существование канала утечки и позволяет предположить, что истоками каналов являются потенциальные ямы в барьере [9].

Проникновение поля в канал и расширение обедненной области в глубь канала при протекании тока определяется распределением потенциала вдоль канала U(x). На распределение потенциала U(x) влияет поперечное электрическое поле Ey(x), возникающее на границе канала с обедненной областью при резком изменении напряжения U. Представление о характере влияния поля Ey(x) можно получить, рассмотрев модель Рис. 4. Релаксационные спектры переходной емкости диодов Шоттки на основе n-Si, окисленного в сухом кислороде (1) и в хлорсодержащей атмосфере (2, 3). Время хранения образцов до измерения: 1–2 —1 день, 3 — 4 месяца. Переключение:

0.5 2.5В; t1 = 2мс, t2 = 10 мс; f = 160 кГц, = 50 мВ.

емкость C > Cg, а при U >4В C < Cg для возможных величин 0, при 80 KC 0.4В.

Температурные зависимости проводимости при постоянном напряжении G(T ), активной составляющей высокочастотной проводимости G(T ) и емкости C(T ) обратимы и имеют немонотонный характер (рис. 2, 3).

Релаксационные спектры переходной емкости, наблюдавшиеся в образцах с ОДУ методом нестационарной емкостной спектроскопии [3], представлены на рис. 4.

Из рис. 3 и 4 видно, что пики спектров наблюдаются в температурной области перегибов на кривых C(T ).

Отметим идентичность спектров и зависимостей C(T ) в образцах одной серии и отсутствие прямой связи амплитуд пиков спектров с величиной постоянного тока утечки.

4. Обсудим полученные результаты, высказывая некоторые модельные соображения о токовом отклике канала Рис. 5. Качественная картина формирования проводящего утечки на изменение обратного напряжения.

канала в области объемного заряда (a) при подаче ступеньки А. Механизм влияния поперечного электрического напряжения (1–4) и распределение потенциала вдоль канала поля на токовый отклик канала утечки на по(1 –4 ), в глубине области объемного заряда (5 ) и в однородстоянном и переменном напряжении. Наблюдаемые ном по ширине канале (6 ), b — приближенная эквивалентная ВАХ имеют вид, типичный для коротких каналов с засхема канала. На рис. a: I — обогащенный слой, II — область творами Шоттки в полевых униполярных транзисторах.

объемного заряда приповерхностного барьера, III — квазинейПодобные ВАХ объясняются изменением ширины (a) тральная область (канал). 1, 1 — t < 0; 2, 2 — t < tf ;

3, 3’ — f < t

и длины (L) проводящей области канала с изменением Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Кинетика экранирования электрического поля в области объемного заряда с каналом утечки... симметричного канала с короткозамкнутым затвором, При воздействии высокочастотного зондирующего нарасположенным в плоскости истока (рис. 5, a). пряжения ширина канала модулируется возникающей Так как продольное электрическое поле в слое Шоттки поперечной разностью потенциалов g (x). Это приводит Eg(x) линейно уменьшается с расстоянием x от поверх- к сдвигу по фазе между током канала и напряжениности ем. Изменение ширины канала в узкой области (as):

2(U+Ui) x as w = w0 /(Ui + U) при малых U < Ui Eg(x) = - 1 -, w w сравнимо с шириной канала у истока (a0): as a0, с = чем и связана большая величина активной проводимости (Ui — диффузионный потенциал, w — ширина обеднен G G (рис. 3, кривая 5). С увеличением напряжения ного слоя), между каналом и областью объемного заряда U канал удлиняется и становится более однородным.

должна возникать разность потенциалов, которая может Высокочастотная проводимость канала приближается к быть записана в виде проводимости на постоянном токе (рис. 3, кривые 1–4).

Комплексная проводимость канала = G ± jB и Ug (x) =Ug(x) -IR(x), реактивная проводимость могут иметь как емкостный где I — ток канала, R(x) — сопротивление канала, (+ jB), так и индуктивный (- jB) характер. РеактивUg(x) — распределение потенциала внутреннего затвора, ный ток канала суммируется во внешней цепи с током т. е. области объемного заряда, граничащей с каналом смещения через барьерную емкость Cg. Измеренная емкость диода при этом равна C = Cg ± B/, где 2(Ui + U) x — частота зондирующего напряжения. При малых U, Ug(x) = wx -.

w2 соответствующих сублинейному участку ВАХ, приращение напряжения вызывает сужение канала, и в реактивДля однородного по ширине канала поле ном токе преобладает емкостная компонента, при этом E0(x) =-U/w, U0(x) =Ux/w и C > Cg (рис. 2). При напряжениях, соответствующих сверхлинейному участку ВАХ, приращение напряжения Ug0(x) =Ug(x) - U0(x) увеличивает растекание тока, и ток канала имеет индуктивный характер, а C < Cg (рис. 2).

(Ui + U)x (Ui + U)x=2 - - Ui.

Б. Экранирование поперечного электрического поw wля при мгновенном переключении напряжения и Направление поперечного поля Ey(x) различно в обла- переходный ток канала утечки. При резком увелисти истока и стока. Оценка величины x0, условной чении обратного напряжения (например, переключении границы между областями истока и стока, полученная 0 U) обедненная область барьера Шоттки расши из условия Ug0(x) = 0, дает для U Ui x0 = w0 ряется за время максвелловской релаксации. В первый и x0 = wUi/U при U Ui. При экранировании момент канал выполняет роль ”заземленного” экрана, поля Ey(x) канал должен сужаться у истока, в области препятствующего проникновению краевого поля барьера x0 > x > 0, и расширяться к стоку как 1/E (1-x/w)-1 в глубь квазинейтральной области у истока. Положив области w>x >x0. При этом характер распределения тельный потенциал в обедненной области, граничащей с продольного поля E(x) в канале стремится приблизиться областью истока, затягивает электроны в приграничную к распределению поля Eg(x) в обедненной области. область. Канал стремиться расшириться по направлению Эти оценки позволяют сделать вывод о причинах к стоку до a(x) a0/(1 - x/w) (рис. 5, a).

нелинейности ВАХ канала. Тенденции к сублинейности По мере растекания тока сопротивление области ВАХ в области малых и больших напряжений можно стока уменьшается и электрическое поле вдоль канасвязать соответственно с уменьшением ширины и уве- ла перераспределяется — у стока уменьшается, а у личением длины канала, как и в коротком канале [13]. истока увеличивается. При этом эффективный потен Наблюдаемый рост проводимости канала в области про- циал внутреннего затвора Ug (x) в области истока рамежуточных напряжений может быть объяснен влиянием стет из-за омического падения напряжения в канале:

поперечного поля Ey(x) на ширину канала и растеканием Ug (x) = Ug(x) - IR(x) (в области истока Ug(x) < 0).

тока. Отметим здесь, что сверхлинейность ВАХ в корот- Это приводит к постепенному сужению канала у истока ких каналах связывается с понижением барьера, образу- и росту сопротивления области истока. Ток достигает ющегося при смыкании области объемного заряда, про- максимума, а затем начинает спадать. Сопротивление дольным электрическим полем E(x) и возрастанием над- области истока играет при этом роль сопротивления ”авбарьерного тока [14,15]. Наблюдаемая в исследованных томатического смещения”, увеличивающегося с током.

Pages:     || 2 | 3 |



© 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.