Введение к работе
" -. ~г—
/
Актуальность темы. Монокристаллический арсенид индия (InAs) -полупроводник с малой шириной запрещенной зоны представляет интерес для полупроводниковой опто- и микрофотоэлектроники как материал с малой шириной запрещенной зоны, имеющий высокую квантовую эффективность при поглощении излучения в диапазоне длин волн 0,5 - 3,46 мкм (при температуре 300 К). Структура металл - диэлектрик - полупроводник (МДП) является типичным представителем полупроводникового устройства (фотоприемный элемент) для первичного сбора оптической информации от нагретых физических тел. МДП-структуры на InAs, работающие в режиме неравновесного обеднения основными носителями заряда, аналогично кремниевым фотоприемникам видимого диапазона, являются элементами с внутренним накоплением сигнального заряда, что существенно облегчает построение интегральных схем считывания и предварительной обработки сигнала с многоэлементных линейчатых и матричных систем.
Поскольку относительный прирост потока излучения от нагретого тела при повышении температуры увеличивается с уменьшением длины волны (относительно комнатного фона) более коротковолновой фотоприемник при регистрации теплового изображения объекта может иметь более высокий контраст изображения.
В современных тепловизионных системах изображение объектов регистрируется полупроводниковой матрицей, установленной в фокальной плоскости объектива, передается в блок электроники кремниевым мультиплексором и визуализируется на экране монитора.
При построении быстрых спектрометров на базе охлаждаемых линейчатых фотоприемников, приемники на InAs эффективно перекрывают область спектра в диапазоне от видимой области (~ 0,4 мкм) до края собственного поглощения InAs (~ 3,1 мкм), определяемого шириной запрещенной зоны полупроводника. Работа многоэлементных фотоприемных устройств (ФПУ) линейчатого и матричного типов определяется свойствами границы раздела полупроводник - диэлектрик и электронными процессами, протекающими в области пространственного заряда (ОГО) полупроводника.
В настоящей работе описана физика работы и особенности технологии
изготовления МДП - структур на основе InAs, работающих в режиме прибора с
накоплением и зарядовой инжекцией (ПЗИ). ,""". л ' і
^ юс. национальная]
| БИБЛИОТЕКА [
3 \ С. Петербург -oV> }
ч Од m^ttLjPjf_l
Целью настоящей работы являлось исследование свойств ОГО полупроводника, свойств границы раздела и переходного слоя полупроводник - диэлектрик, проводимости диэлектрического слоя. Цель достигнута при решении следующих задач:
Построение математической модели работы МДП-структуры.
Анализ спектра поверхностных состояний (ПС) в МДП-структурах.
Исследование процессов генерации неосновных носителей заряда в ОПЗ арсенида индия при неравновесном импульсном обеднении.
Исследование гистерезисных явлений и полевых нестабильностей МДП-структур.
Оптимизация технологических процессов для создания многоэлементных ПЗИ-линеек и матриц с целью реалюации приборных структур, приближающимся по фоточувствительным параметрам к теоретически предсказанным величинам.
Научная новизна заключается в создании физико-технологических основ фоточувствительных полупроводниковых приборов зарядовой инжекции на арсеняде индия. К новым научным результатам следует отнести:
Создание совершенной границы раздела InAs - диэлектрик с плотностью поверхностных состояний (NB)< 2-Ю10 см'2эВ"'.
Определение спектра поверхностных состояний при различных способах химической модификации поверхности полупроводника.
3. Построение математической модели МДП-структуры, позволяющей
моделировать высокочастотные, низкочастотные и динамические ВФХ с учетом ГУ в
ОПЗ полупроводника при концентрациях сравнимых с уровнем легирующей примеси.
Определение энергетических параметров и сечения захвата ПС и ГУ в МДП-структурах.
Выяснение механизма развития гистерезисных явлений, проявляющихся в деформации ВФХ МДП-структур в сильных электрических полях.
Уточнение условий протекания туннельного тока в ОПЗ полупроводника и полевой зависимости плотности генерационного тока при неравновесном обеднении.
7. Выяснение механизма проводимости диэлектрических пленок SiCb,
полученных окислением моносилана в кислороде в слабых и сильных электрических
полях.
Определение особенностей формирования шумов в МДП-структурах при неравновесном импульсном обеднении.
Исследование состава сверхтонких диэлектрических пленок естественного окисла (2-4 нм) на поверхности InAs методом туннельной спектроскопии.
10. Объяснение особенностей протекания туннельного тока в МДП-структурах со
сверхтонкими слоями естественного окисла на InAs.
11. Создание многоэлементных приемников инфракрасного излучения
средневолнового диапазона с обнаружительной способностью, близкой к
теоретическим значениям в режиме ограничения флуктуациями комнатного фона.
Объекты и методы исследования. Основным объектом исследования была
МДП-структура, сформированная на нелегированном эпитаксиальном слое InAs. В
качестве диэлектрика использовалась двуокись кремния, полученная в результате
окисления моносилана кислородом при температуре подложки InAs 195-220 С. Перед
і осаждением диэлектрика поверхность InAs подвергалась химической модификации. В
процессе модификации на поверхности InAs анодным окислением формировался переходной слой собственного окисла толщиной от 7 до 15 нм, который оказывал существенное влияние на характеристики МДП-структур. Дополнительно исследовались МДП-структуры со сверхтонкими диэлектрическими слоями естественного окисла толщиной ~ 2-4 нм, сформированного на поверхности InAs при химических обработках поверхности полупроводника. Приборными структурами были элементы фотоприемных линеек и матриц с площадью - 10"5 - 10"4 см2. Все структуры были изготовлены на замкнутой технологической линейке Института физики полупроводников СО РАН.
В качестве основных методов исследования применялись методы измерения частотных зависимостей ВФХ и проводимости на переменном сигнале МДП-структур, релаксации емкости и поверхностного потенциала при неравновесном импульсном обеднении МДП-структур, туннельной спектроскопии МДП-структур со сверхтонкими окисными пленками, современные методы анализа состава переходного слоя (РФЭС и ОЖЕ - спектроскопия) и специфические методы анализа приборных структур.
Научная и практическая значимость работы заключается в комплексном изучении свойств МДП-структур на InAs с определением и уточнением ряда величин и параметров, характеризующих электрофизические свойства ОПЗ полупроводника, границы раздела полупроводник - диэлектрик и МДП-структуры в целом. Это позволило разработать технологические приемы и реализовать многоэлементные ПЗИ-структуры на основе которых был разработан ряд гибридных микросхем с приемниками излучений линейчатого и матричного типов. На основе гибридной микросхемы с фотоприемником матричного типа реализована тепловизионная камера, обладающая высокой температурной чувствительностью и высоким контрастом на термограммах объектов.
На защиту выносятся следующие основные научные положения.
Точная одномерная модель МДП - структуры в диффузионно - дрейфовом приближении с учетом влияния глубоких уровней в ОГО позволяет в нестационарных условиях качественно и количественно рассчитывать в широком диапазоне частот ВФХ, релаксацию накопленного заряда и поверхностного потенциала во времени, начиная с предельно малых максвелловских времен в зависимости от температуры и интенсивности внешнего потока излучения.
В эпитаксиальных пленках арсенида индия вблизи середины запрещенной зоны всегда присутствуют ГУ с концентрацией сравнимой с концентрацией легирующей примеси, оказывающие определяющее влияние на ВФХ и генерационные процессы в ОПЗ в режиме неравновесного обеднения. Предложена экспериментальная методика определения концентрации ГУ.
Модификация состава границы раздела и приповерхностного диэлектрического слоя InAs, за счет формирования тонкого фторированного анодного окисла (толщиной -15 нм) с последующим выращиванием подзатворной двуокиси кремния (толщиной 100-140 нм), позволяет создать близкую к идеальной границу раздела полупроводник - диэлектрик с концентрацией ПС на уровне < 2-Ю10 см*2эВ"' и плотностью ловушек (уровней захвата) в переходном слое диэлектрика (2-2,5)-1017 см"3.
Эффект усиления фононных линий в неупругих туннельных спектрах твердотельных структур связан с присутствием резких скачков потенциала, например, на границе раздела полупроводник - диэлектрик или на рассеивающих примесях в барьере.
Появление отрицательного дифференциального сопротивления в структурах Аи- сверхтонкий диэлектрик - полупроводник InAs р- типа проводимости связано с околорезонансным туннелированием с участием квантового уровня инверсионного слоя.
6. Разработанная замкнутая технология позволяет изготовливать
многоэлементные линейчатые (до1х384) и матричные (до 256x256) гибридные
фотоприемные микросхемы спектрального диапазона 0,4 - 3 и 2,6 - 3 мкм с
обнаружительной способностью до = 5-Ю12 смГц|/7/Вт, работающие в режиме
ограничения флуктуациями комнатного фона, для решения различных
спектрометрических и тепловизионных задач.
На основе гибридной микросхемы с матрицей 128x128 фотоприемных МДП-конденсаторов разработана компьютезированная тепловизионная камера научного, медицинского и промышленного применения с температурным разрешением 28 мК
(частота кадров 20 Гц, температура объекта 32 С) я предельным температурным разрешением 7 мК (частота кадров 1,25 Гц).
Личный вклад автора. Автор диссертации был ответственным исполнителем и совместно с научным консультантом д.ф.-м.н., проф. Г.Л. Курышевым, научным руководителем большого числа НИР выполненных за период 1982 - 2002 гг. Автор принимал непосредственное участие в постановке научных и научно-технических задач, проведении измерений и интерпретации полученных результатов. Практически все результаты, изложенные в научном труде, получены совместно с авторами опубликованных работ.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на совещании "Физика поверхностных явлений в полупроводниках" (Киев, 1984 г.); "Всесоюзной школе по физике поверхности" (Москва, 1986 г.); "Всесоюзной школе по физике поверхности" (Карпаты, 1986 г.); "V-республиканской конференции "Физические проблемы МДП-интегральной электроники" (Москва, 1987 г.); "7 Seminar of socialist countries on electron spectroscopy" (Bourgas, Bulgaria, 1988 г.); "Электронные процессы на поверхности и в тонких слоях полупроводников (Новосибирск, 1988)"; на международных конференциях "ОРТО 92" (Paris, France, Palas des Congres 14-16 Avril, 1992 г.); "Infrared detectors and focal plane arrays" (USA, 1994); "Materials Research Sociaty" (USA, Boston, 1996 г.), "IV Российской конференции по физике полупроводников" (Новосибирск 1999)," Фотоэлекгроника и приборы ночного видения" (Россия, Москва, 2002 г.). Работа поддерживалась грантом РФФИ № 96-02-19023 и Госконтрактом
Публикации. По теме диссертации опубликовано 42 печатных работы, из них одно изобретение и один патент, перечень которых приведен в конце автореферата. Данный список не включает часть публикаций в трудах отечественных и международных конференций.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения восьми глав и заключения. Объем работы составляет 383 страницы, включая 167 иллюстраций, 9 таблиц и список литературы из 411 наименований.
Похожие диссертации на Структуры металл - диэлектрик-полупроводник на основе арсенида индия
