WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 12 Проявление в спектре мелких пограничных состояний эффектов перколяционной проводимости короткоканальных полевых транзисторов © Б.А. Аронзон, Д.А. Бакаушин, А.С. Веденеев, В.В. Рыльков, В.Е. Сизов Курчатовский институт Российского научного центра, 123182 Москва, Россия (Получена 6 марта 1997 г. Принята к печати 19 марта 1997 г.) По методу эффекта поля в температурном интервале T = 77 300 K исследована эффективная плотность мелких пограничных состояний Nss в короткоканальных (0.5 5мкм) транзисторах типа SiMNOS и полевых — на основе GaAs с повышенной (более 1012 см-2) концентрацией зарядов, встроенных в подзатворном диэлектрике. Обнаружена особенность Nss в виде пика, выраженная тем более отчетливо, чем ниже температура, выше концентрация встроенного заряда и короче затвор. Безотносительно к изменению перечисленных параметров, а также толщины подзатворного диэлектрика и отношения длины канала к его ширине этот пик проявляется при одних и тех же значениях проводимости каналов G q2/h. При этом энергетическая глубина пика плотности состояний ( 40 120 мэВ) изменяется пропорционально T, что выходит за рамки представлений о пограничных состояниях, обусловленных как сильным флуктуационным потенциалом, так и дефектами и ловушками. Результаты интерпретируются в рамках перколяционной теории проводимости сильно разупорядоченных систем. Представляется, что особенность связана с переходом от проводимости двумерной эффективной среды, имеющей место в условиях электронного экранирования флуктуационного потенциала, к проводимости по квазиодномерному потенциальному желобу, образуемому в условиях сильного флуктуационного потенциала локальными областями с пониженным потенциалом.

Введение встроенных зарядов в диэлектрике, подробно описаны (см., например, [8–10]). В квазидвумерных системах на Электронные свойства разупорядоченных систем, в базе полупроводниковых слоев с повышенным содержачастности квазидвумерных, реализуемых на границах нием примесей рассматриваемые явления также имеют раздела полупроводник–полупроводник и полупро- место [11,12] с той разницей, что природа ФП в этом водник–диэлектрик, вызывают постоянный научный случае известна, а основные параметры его источников и практический интерес. Следуя представлениям о (концентрация и среднее расположение по отношению масштабной миниатюризации, уменьшение размеров к инверсионному каналу) контролируются технологичебазовых элементов интегральной и СВЧ электроники, ски. Иными словами, системы такого рода можно рассмаиспытывающей потребность в транзисторах с субми- тривать как контролируемо-разупорядоченные, допускакронной длиной затвора, требует резкого увеличения ющие описание электронных характеристик в рамках концентрации легирующей примеси в активных областях известной теории ФП [5–7].

полупроводниковых слоев до 1018 1019 см-3, например, Переходя к задачам настоящих исследований, отмев транзисторах на основе GaAs–AlGaAs (типа HEMT) тим, что методы вольт-емкостной спектроскопии имеют и структурах с -легированными слоями [1,2]. В весьма узкую область применения, ограниченную комсвою очередь увеличение уровня легирования ведет натными температурами и структурами с относительк усилению эффектов электрической неоднородности но большой площадью полевого электрода, на порядки вследствие возрастания флуктуационного потенциала превышающей площадь затвора полевых транзисторов.

(ФП), индуцируемого хаотически расположенными Вместе с тем, учитывая специфику объектов микроионизированными примесями [3].

электроники, обусловленную их малыми размерами, в Согласно работам [4–7], по-видимому, наиболее яр- частности, принципиальную возможность проявления ким проявлением поверхностного ФП в системах типа мезоскопических эффектов [13,14], следует ожидать, что МДП следует считать локализацию электронов (дырок) электронные характеристики короткоканальных транзив окрестности минимумов (максимумов) хаотического сторов и тестовых структур большой площади могут потенциального рельефа и, как следствие, возникновение существенно отличаться. В этой связи представляется вблизи краев запрещенной зоны полупроводника так перспективным развитие экспериментальных подходов называемых хвостов плотности пограничных локализо- к определению спектра мелких пограничных состояний, ванных состояний с характерным U-образным энергети- формируемых ФП, в частности, по методу эффекта поля, ческим спектром. Спектры такого вида, полученные с основанному на измерениях зависимости проводимости использованием метода вольт-фарадных характеристик в поверхностного канала транзисторов от потенциала заМДП системах с высокой поверхностной концентрацией твора [15]. Как показали результаты наших недавних эксзаряженных центров, как правило, неконтролируемых периментов [12] по спектроскопии GaAs–AlGaAs–HEMT Проявление в спектре мелких пограничных состояний эффектов перколяционной проводимости... с длиной затвора 0.5 мкм в интервале T = 77 300 K, дают вклад в электропроводность поверхностного каэффективная плотность состояний имеет особенность нала, тогда как свободными остаются лишь те из них, в виде пика, энергетическая глубина которого изме- энергия которых выше уровня протекания. В отсутствие няется с температурой, что не укладывается в рамки вырождения (пока уровень Ферми не пересек среднее классических представлений о пограничных состояниях положение дна зоны проводимости) электроны в канале ”флуктуационного” происхождения [5]. В данной работе преимущественно локализованы и лишь незначительная мы показываем, что эта особенность имеет общий ха- их часть (с концентрацией nc ns) определяет величину рактер для короткоканальных транзисторных структур с G nc. Иными словами, в условиях сильного ФП высокой концентрацией заряженных центров и является и в отсутствие вырождения величины Nss в основном следствием проявления в условиях сильного ФП пер- определяется локализованными электронами. В этих же коляционного режима проводимости на ранних стадиях условиях концентрация свободных электронов в канале изменяется по закону nc exp(qs/kT ) [5,6], что позвообразования поверхностного электронного канала.

ляет исключить в соотношении (2) неизвестный параметр и переписать выражение для Nss через измеряемые Методика эксперимента величины: G nc (с точностью до концентрационной зависимости подвижности электронов) и Vg Формализм экспериментального подхода к анализу спектра пограничных электронных состояний заключаNss (C0/q2) (q/kT )dVg/d(ln G) - 1. (3) ется в следующем. При малом продольном напряжении Экспериментальная установка, реализующая данный Vd kT /q в зависимости от потенциала затвора Vg изподход, описана в работе [16]. Результаты апробации мемеряется проводимость инверсионного канала полевого тодики на примере транзисторной тестовой структуры с транзистора G = Id/Vd (Id — сила тока в цепи исток– инверсионным n-каналом, изготовленной по промышленсток, k — постоянная Больцмана, q — элементарный заной технологии (толщина подзатворного окисла 500, ряд). Потенциал затвора связан с концентрацией поверхдлина затвора 5 мкм, ширина 50 мкм, подложка — сланостного заряда в полупроводнике соотношением [8,9] болегированный p-Si типа КДБ-12 с ориентацией (100)), C0(Vg - s) =q(ns +nd), (1) приведены на рис. 1. Кривые эффекта поля (рис. 1) демонстрируют классический механизм образования ингде C0 — удельная подзатворная емкость, s —поверх- версионного канала [8,9]: при малых Vg проводимость G ностный потенциал полупроводника, nd (sN0)1/2 — изменяется в зависимости от Vg по экспоненциальному плотность заряда в его обедненном слое, формируемом закону, типичному для области слабой инверсии (1); с легирующей примесью с концентрацией N0, ns —кон- увеличением Vg зависимость G(Vg) становится линейной, центрация носителей заряда в поверхностном канале.

Эффективная плотность электронных состояний, включающая свободные и локализованные носители заряда, определяется как Nss = dns/d(qs) [5]. Дифференцируя (1) по s, находим Nss =(C0/q2)(dVg/ds - 1) - dnd/d(qs), (2) где слагаемое dnd/d(qs) (N0/s)1/2 const — известная функция. В рассматриваемых нами случаях сильного ФП и низкого уровня легирования подложки это слагаемое вносит незначительный вклад в Nss [5], поэтому далее, опуская его, будем определять эффективную плотность состояний Nss =(C0/q2)(dVg/ds - 1). (2а) В условиях сильного ФП ( kT, — энергетический масшаб флуктуаций) [5–7] статистические флуктуации плотности встроенного заряда индуцируют в поверхностном слое полупроводника хаотический потенциальный рельеф, в области минимумов которого формируются локализованные (связанные) состояния.

Рис. 1. Зависимость проводимости инверсионного n-канала G Электроны, заполняющие эти состояния, по энергии от потенциала затвора для полевого Si–MOS-транзистора в находятся ниже уровня протекания, определяемого средполулогарифмическом и линейном (на вставке) масштабах.

ним поверхностным потенциалом s, поэтому они не T, K: 1 — 300, 2 — 77.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 1462 Б.А. Аронзон, Д.А. Бакаушин, А.С. Веденеев, В.В. Рыльков, В.Е. Сизов MNOS-системы (подзатворный диэлектрик — слои Si3N4 и SiO2 толщиной 350 и 30 соответственно) с инверсионным n-каналом были выполнены в виде ”коротких” (затвор длиной 5 мкм и шириной 50 мкм) и ”длинных” (длиной 150 мкм и шириной 20 мкм) транзисторов на тех же подложках, что и транзисторы Si-MOS (рис. 1, 2). На рис. 3–6 приведены полевые зависимости проводимости канала, измеренные при фиксированном Рис. 2. Эффективная плотность пограничных состояний в зависимости от G по данным рис. 1. T, K: 1 — 300, 2 — 77.

Здесь и далее на рис. 3, 4, 6, 8, 9 экспериментальные точки (обозначенные крестиками) совпадают с зависимостями, приведенными сплошными линиями, в области малых значений аргумента.

что свидетельствует о переходе к сильной инверсии (dnc/dVg = C0/q). Функция Nss(G) (рис. 2) иллюстриРис. 3. Зависимость от Vg проводимости инверсионного рует при 300 K вклад свободных электронов и примесей n-канала ”длинного” (150 20 мкм2) Si-MNOS-транзистора из области пространственного заряда полупроводника в в полулогарифмическом и линейном (на вставке) масштабах.

эффективную плотность состояний (3), а при 77 K — T, K: 1 — 300, 2 — 77.

дополнительно возникновение хвоста плотности мелких локализованных состояний, обусловленных эффектами ФП, усиливающимися с понижением температуры.

Объекты и результаты исследований В качестве объектов исследований мы выбрали структуры трех типов: транзисторные структуры Si-MNOS, изготовленные по технологии интегральных схем (ППЗУ СБИС), селективно-легированные GaAs–AlGaAs-HEMT и полевые транзисторы на основе GaAs с управляющим барьером Шоттки (ПТШ). Общим для этих систем является высокая концентрация встроенных зарядов — электронов, захваченных ловушками на границе раздела SiO2–Si3N4, а также ионизованных примесей в донорном слое AlGaAs-HEMT и в барьерном слое ПТШ. Преимущество структур Si-MNOS как модельных объектов состоит в том, что в них посредством контролируемой инжекции электронов можно изменять концентрацию встроенного заряда в широких пределах. Для всех систем в температурном интервале 77 300 K были измерены зависимости G(Vg) и определена функция плотности Рис. 4. Эффективная плотность пограничных состояний Nss в пограничных состояний (3).

зависимости от G по данным рис. 3. T, K: 1 — 300, 2 — 77.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Проявление в спектре мелких пограничных состояний эффектов перколяционной проводимости... 1/(ns nt /d, где d — толщина подзатворного диэлектрика) реализуется режим нелинейного электронного экранирования, в котором ns exp(qs/2) nkT/2. (5) c Учитывая, что Nss = dns/d(qs), с использованием (5) имеем Nss = ns/2 nkT/2 GkT /2. (6) c С увеличением концентрации электронов усиливается экранирование ФП, в итоге при ns nt он исчезает. В этих условиях электроны в канале преимущественно свободны (nc ns) и с учетом больцмановской статистики Nss nc/kT G. (7) Данный участок, в частности, отчетливо выражен на графике функции Nss(G), приведенной на рис. 2. Отметим также, что выражение (7) является частным случаем (3) для области сильной инверсии, в которой dnc/dVg C0/q.

Рис. 5. Зависимость от Vg проводимости инверсионного Таким образом, по существующим представлениям Nss n-канала ”короткого” (5 50 мкм2) Si-MNOS-транзистора в изменяется с G по степенному закону с показателем полулогарифмическом и линейном (на вставке) масштабах.

степени = kT /2 1 в области слабо открытого T, K: 1 —300, 2 — 77.

канала (режим нелинейного экранирования ФП) и в режиме, когда ФП сильно экранирован.

Плотность состояний в рассматриваемой структуре Si-MNOS (рис. 4) на порядок превышает значения Nss зарядовом состоянии границы раздела SiO2–Si3N4, а в случае транзистора Si-MOS (рис. 2) и изменяется с G также отвечающая им функция плотности состояний для в соответствии с изложенной теорией ФП: показатель длинного (рис. 3, 4) и короткого (рис. 5, 6) транзисторов.

степени в области слабой инверсии пропорционален Обратимся сначала к длинному транзистору, Кривые T и дает величину 38 мэВ, согласующуюся с эффекта поля (рис. 3) качественно подобны рассмоее оценкой по смещению порогового напряжения при тренным ранее для транзисторов Si-MOS (рис. 1) — зарядке ловушек на границе SiO2–Si3N4.

в области слабой инверсии они имеют участок экспоненциального нарастания G, переходящий в линейную зависимость в области сильной инверсии. Между тем из сопоставления данных рис. 1, 2 и 3, 4 видно, что заряд, встроенный в подзатворный диэлектрик MNOS структуры, приводит к заметному ”выполаживанию” зависимости G(Vg) вследствие существенной локализации электронов в сильном флуктуационном потенциале поверхности Si–SiO2. Действительно, согласно [4–7], энергетический масштаб ФП =(q2/)(nt)1/2, (4) где — средняя диэлектрическая проницаемость полупроводника и подзатворного диэлектрика, nt —поверхностная концентрация встроенного заряда. Для экспериментальных данных (рис. 3) плотность заряда, захваченного на границе SiO2–Si3N4, найденная по смещению порогового напряжения, составляет примерно 5·1012 см-2, что отвечает величине 40 мэВ, превышающей kT даже при комнатных температурах.

Характер поведения функции Nss(G) в условиях сильного ФП ( kT ) рассмотрен в работах [5,6], где, Рис. 6. Эффективная плотность пограничных состояний Nss в в частности, показано, что в практических случаях зависимости от G по данным рис. 5. T, K: 1 — 300, 2 — 77.

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.