Содержание к диссертации
Введение
1. Редкоземельные элементы и их оксиды ... ..:.13
1.1. Редкоземельные металлы , 13
1.2. Структура оксидов редкоземельных элементов 17
1.3. Свойства оксидов редкоземельных элементов и МДМ- и МДП- структур на их основе 22
2. Методика получения образцов и измерения их характеристик 32
2.1. Методика изготовления образцов 32
2.2. Методика измерений и экспериментальные установки 35
3. Электрофизические свойства кремниевых мдп-структур с диэлектрическими пленками из оксидов редкоземельных элементов 43
3.1. Электропроводность кремниевых МДП-структур с ОРЗЭ в качестве
диэлектрика при постоянном напряжении 43
3.2. Проводимость и диэлектрические потери в кремниевых МДП-структурах с оксидами РЗЭ на переменном сигнале 50
3.3. Вольт-фарадные характеристики кремниевых МДП-структур с оксидами РЗЭ в качестве диэлектрика 54
3.4. Исследование генерационных процессов в кремниевых МДП-
структурах 59
3.5. Влияние температуры окисления двухслойной пленки из РЗМ на
характеристики МДП-структур 65
4. Фотоэлектрические свойства кремниевых мдп-структур с оксидом эрбия в качестве диэлектрика
4.1. Методика определения высот энергетических барьеров на межфазовых границах МДП-систем 71
4.2. Анализ спектральных зависимостей фототока МДП-структур Al-Er20,-Si 77
4.3. Анализ вольтаических зависимостей фототока 81
5. Параметры активных центров захвата в мдп-структурах Al-Er203~Si? 89
5.1. Методика определения локализации и плотности захваченного в объеме диэлектрика заряда 89
5.2. Определение величины и центроида заряда, захваченного в диэлектрической пленке оксида эрбия 93
5.3. Энергетическая глубина залегания электронных ловушек в пленках оксида эрбия 96
5.4. Исследование особенностей накопления заряда в структурах А1- Er203 ~Si под влиянием ультрафиолетового излучения 97
6. Просветляющие свойства пленок оксида эрбия. рекомбинационные свойства кремния, пассивированного пленками орзэ 102
6.1. Оптические и просветляющие свойства пленок оксида эрбия 103
6.2. Рекомбинационные свойства кремния, пассивированного пленками оксидов РЗЭ 107
Заключение 114
Список использованных источников
- Свойства оксидов редкоземельных элементов и МДМ- и МДП- структур на их основе
- Проводимость и диэлектрические потери в кремниевых МДП-структурах с оксидами РЗЭ на переменном сигнале
- Анализ спектральных зависимостей фототока МДП-структур Al-Er20,-Si
- Определение величины и центроида заряда, захваченного в диэлектрической пленке оксида эрбия
Введение к работе
Актуальность темы. Многослойные структуры металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) в настоящее время нашли широкое применение в полупроводниковой микроэлектронике. На их основе изготавливаются нелинейные конденсаторы (варикапы и фотоварикапы), полевые транзисторы, электрические и тепловые переключатели, приборы с зарядовой связью, логические устройства и др.
Несмотря на то, что изучение структур МДП и их применение в микроэлектронике началось достаточно давно и к настоящему моменту опубликовано большое число работ, посвященных их свойствам, до сих пор не прекращается интенсивное исследование этих систем и поиск путей улучшения их параметров и характеристик. Среди основных путей улучшения параметров МДП-приборов следует выделить получение высококачественной границы раздела полупроводника с диэлектрической пленкой, использование диэлектрических материалов с лучшими характеристиками, совершенствование методов нанесения диэлектрических пленок.
К перспективным диэлектрическим материалам для создания диэлектрического слоя МДП-структур относятся оксиды редкоземельных элементов (РЗЭ). Они характеризуются высокой химической и термической стойкостью, большими значениями диэлектрической проницаемости (є = 8 - 20), удельного сопротивления (/? = 1012 -10'6 Ом-см) и пробивных напряжений, обладают хорошей адгезией к поверхности кремния. Кроме того, как показали исследования, на основе оксидов редкоземельных элементов (ОРЗЭ) возможно изготовление двухслойных диэлектрических пленок, применение которых позволяет заметно улучшить электрическую стабильность и некоторые характеристики изготавливаемых приборов. Однако свойства пленок оксидов РЗЭ и МДП-систем, полученных на их основе, в настоящее время изучены недостаточно полно. В частности, в литературе имеется крайне мало сведений о свойствах структур МДП с двухслойными диэлектрическими пленками из оксидов РЗЭ, а также о свойствах МДП-структур с оксидом эрбия в качестве диэлектрика.
В связи с этим целью данной работы является исследование электрофизических свойств МДП-структур с двухслойными диэлектриками типа Al-Dy203-Gd20,-Si, Al-Dyfi.-Yfii-Si, Al-Dy20,-Yb20,-Si, изучение электрофизических и фотоэлектрических свойств кремниевых МДП-структур с оксидом эрбия в качестве диэлектрика, определение закономерностей основных физических процессов, протекающих в МДП-структурах, определение параметров активных центов захвата заряда в диэлектрическом слое Ег2Оъ и величин энергетических потенциальных барьеров на межфазовых границах этого слоя в МДП-CTpyKTyjTiYj ч таогр иглудование пассивирующих свойств пленок оксида эрбия и двукс?В^|^ШШВДШидов РЗЭ.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
-
Выяснение механизма электропроводности кремниевых МДП-структур с диэлектриком из оксида эрбия и с двухслойным диэлектриком.
-
Исследование активной составляющей проводимости и тангенса угла диэлектрических потерь кремниевых МДП-структур с этими диэлектрическими пленками.
-
Анализ вольт-фарадных характеристик изучаемых систем и влияния на них условий изготовления.
-
Исследование качества границы раздела диэлектрик-полупроводник изучаемых структур.
-
Изучение явления внутренней фотоэмиссии носителей заряда в пленку диэлектрика из полупроводника или металла при облучении структур Al-Er20^-Si монохроматическим светом, определение высот энергетических барьеров на межфазовых границах А1-Ег2Оъ и Si-Er2Oy и построение энергетической зонной диаграммы структур.
-
Изучение особенностей накопления заряда в диэлектрической пленке из оксида эрбия в кремниевой МДП-структуре при облучении, исследование влияния ультрафиолетового (УФ) излучения на электрофизические свойства МДП-структур.
-
Исследование параметров активных центров захвата носителей заряда в диэлектрической пленке Ег202, определение центроида захваченного на ловушки заряда и энергетической глубины залегания ловушек.
-
Изучение рекомбинационных характеристик кремния, покрытого пленками из ОРЗЭ.
-
Изучение просветляющих свойств пленок оксида эрбия на кремнии.
Научная новизна работы. В представленной работе впервые проведён комплексный анализ электрофизических свойств структур А1 - Ег2Оъ - Si, Al-Dy20^-Gd20,-Si, Al-Dy20,-Y20,-Si, Al-Dy2O,-Yb203-Si. Установлено, что электропроводность исследуемых МДП-систем описывается механизмом Пула-Френкеля. Определены величины поверхностной плотности встроенного заряда в диэлектрике и эффективная плотность поверхностных состояний. Методом кинетических зависимостей неравновесной емкости определены генерационные параметры исследуемых структур.
Методом внутренней фотоэмиссии носителей заряда в диэлектрик на основании спектральных и вольтаических зависимостей фототока определены высоты энергетических барьеров на межфазовых границах МДП-структуры на основе оксида эрбия. Причём наблюдалось хорошее соответствие полученных данных между собой. Величины потенциальных барьеров составили: А1-ЕггОъ (3,13 эВ), Si-Er203 (3,35 эВ). Установлено, что при положительном и отрица-
тельном напряжениях на металлическом электроде наблюдается фотоэмиссия электронов из кремния и металла соответственно.
Проведён анализ вольтаических зависимостей фотоинжекционного тока МДП-структур Al-Erfi^-Si. На основании этого анализа установлено, что инжектированные электроны захватываются на глубокие центры диэлектрика, причем центроид захваченного заряда располагается вблизи середины диэлектрической пленки.
Методом фотостимулированной деполяризации установлено, что электронные центры захвата в пленке Ег2Ог располагаются на энергетическом расстоянии 2,72 - 3,45 эВ от дна зоны проводимости.
Обнаружено, что при облучении структур Al-Er20} -Si УФ излучением при одновременном воздействии внешнего электрического поля в диэлектрической пленке накапливается отрицательный заряд, величина которого имеет тенденцию к насыщению при больших временах облучения.
Исследованы рекомбинационные свойства кремния с реальными и пассивированными диэлектрическими пленками из оксидов РЗЭ поверхностями. Установлено, что после нанесения изолирующих слоев эффективное время жизни неравновесных носителей заряда в кремниевых образцах, измеренное методом релаксации нестационарной фотопроводимости, возрастает в 2 - 3 раза.
Изучены оптические характеристики пленок оксида эрбия и эффект просветления поверхности кремниевого фотоэлектрического преобразователя с использованием этого материала. Показано, что просветляющий слой из исследованного материала увеличивает спектральное значение фототока короткого замыкания кремниевого фотоэлектрического преобразователя более чем на 38%.
Практическая ценность работы. Полученные данные о характеристиках и свойствах МДП-структур с диэлектриком из оксида эрбия, а также с двухслойным диэлектриком из ОРЗЭ могут использоваться при разработке приборов с применением указанных диэлектриков, в частности МДП-варикапов. Показано, что по некоторым параметрам полученные структуры существенно превосходят аналогичные системы с применением плёнок оксида кремния, из-за почти 4-кратного превышения значения диэлектрической проницаемости по сравнению с оксидом кремния, а также сравнительно низкого значения токов утечки.
Рассмотренный эффект накопления заряда в диэлектрике МДП-структуры Al-Er2Oi -Si под действием УФ излучения свидетельствует о возможности использования исследованных систем для создания на их основе приборов с репрограммируемой оптической записью информации и устройств визуализации УФ изображений.
Применение пленок оксида эрбия в качестве диэлектрического покрытия позволит снизить оптические и рекомбинационные потери в кремниевых фотоэлектрических приборах, увеличить фототок короткого замыкания кремниевого фотоэлектрического преобразователя и создать более эффективные фоточувствительные приборы.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Механизм электропроводности исследуемых МДП-структур.
-
Свойства границы раздела диэлектрик-полупроводник, определенные по вольт-фарадным характеристикам и кинетическим зависимостям неравновесной емкости МДП-структур.
-
Параметры энергетической зонной диаграммы МДП-структур А1 - Ег2Оъ - Si, определенные методом внутренней фотоэмиссии электронов из металла или полупроводника в пленку диэлектрика.
-
Параметры активных центров захвата заряда в диэлектрических слоях из оксида эрбия.
-
Закономерности и физическая модель накопления заряда в структуре А1 - Ег20} - Si.
-
Эффекты просветления и пассивации поверхности кремния с помощью пленок оксида эрбия.
Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Восьмой Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники" (Таганрог, 2002 г.), Международной конференции "Оптика, оптоэлектроника и технологии" (Ульяновск, 2002 г.), II Международной научно-технической конференции "Физика и технические приложения волновых процессов" (Самара,
-
г.), V Международной конференции "Оптика, оптоэлектроника и технологии" (Ульяновск, 2003 г.), III Международной научной конференции "Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии" (Кисловодск, 2003 г.), Пятой Всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (С. - Петербург, 2003 г.), Восьмой Всероссийской научно-технической конференции "Методы и средства измерений физических величин" (Нижний Новгород, 2003 г.), Десятой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (Москва,
-
г.), 61-й региональной научно -технической конференции по итогам НИР СамГАСА за 2003 г. "Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика" (Самара, 2004 г.), X Международной конференции "Физика диэлектриков" (С. - Петербург, 2004 г.), третьей междисциплинарной конференции с международным участием "НБИТТ-21" (Петрозаводск,
2004 г.), IX Международной научно-технической конференции "Оптические, радиоволновые и тепловые методы и средства контроля качества материалов, промышленных изделий и окружающей среды" (Ульяновск, 2004 г.), III Международной научно-технической конференции "Физика и технические приложения волновых процессов" (Волгоград, 2004 г.), межрегиональной научной школе для студентов и аспирантов "Материалы нано-, микро- и оптоэлектрони-ки: физические свойства и применение" (Саранск, 2004 г.), 14-й Международной Крымской конференции "СВЧ - техника и телекоммуникационные технологии" (Севастополь, 2004 г.), VI Международной конференции "Опто- нано-электроника, нанотехнологии и микросистемы" (Ульяновск, 2004 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 39 печатных работ, в том числе 11 статей, 20 докладов и 8 тезисов докладов на научно-технических конференциях и семинарах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка используемой литературы из 138 наименований, содержит 52 рисунка, 14 таблиц. Общий объем диссертации составляет 133 страницы.
Свойства оксидов редкоземельных элементов и МДМ- и МДП- структур на их основе
На величину электропроводности порошкообразных диэлектрических оксидов влияет вода, адсорбированная на поверхности зерен, которая приводит к снижению сопротивления образцов при низких температурах. При нагревании от 50 до 300 С происходит десорбция воды, в связи с чем увеличивается сопротивление образцов. Электропроводность порошкообразных полупроводниковых оксидов РЗЭ не зависит от влажности и экспоненциально растет от температуры. Исследование природы электропроводности [26, 28, 29] показало, что все оксиды РЗЭ являются материалами с электронным механизмом электропроводности. Исключением является оксид гадолиния, у которого около 60% всего тока переносится ионами, и, по данным некоторых авторов [29], оксиды иттрия самария.
В таблице 1.2 приведены значения диэлектрической проницаемости є оксидов РЗЭ при комнатной температуре, полученные для спеченных образцов на частоте 1 МГц [28]. Видно, что диэлектрическая проницаемость в ряду оксидов РЗЭ цериевой группы изменяется незначительно. Резкое уменьшение наблюдается при переходе от самария к европию, а затем снова монотонно увеличивается к иттрию.
Необходимо отметить, что при переходе от самария к иттрию изменяется и кристаллическая форма оксидов: до самария стабильной является А-форма, начиная с европия оксиды находятся в С-форме. Высокие значения диэлектрической проницаемости у Рг6Оп и ТЬ4Оу обусловлены, по-видимому, промежуточной валентностью металлов и существенной ионностью связи в этих оксидах.
Исследования влияния температуры на диэлектрическую проницаемость ОРЗЭ показали, что на частоте 1 МГц температурный коэффициент диэлектрической проницаемости ОРЗЭ в интервале температур от 20 до 300 С практически равен нулю, что позволяет использовать их для конденсаторов с термостабильными свойствами.
В таблице 1.2 приведены также некоторые физические свойства оксидов редкоземельных элементов важные с точки зрения использования их в тонкопленочной технологии, о котором далее и пойдет речь.
Впервые тонкие пленки оксидов РЗЭ нашли свое применение в оптико-механической промышленности как просветляющие покрытия. В работе [30], где впервые сообщалось о просветляющих свойствах оксидов РЗЭ, пленки получались из спиртовых растворов неорганических солей. В [31-36] авторами были исследованы оптические характеристики некоторых пленок оксидов РЗЭ и эффект просветления с использованием этих материалов на кремниевых по верхностях и фотоэлектрических преобразователях. Нанесение просветляющей пленки из оксида РЗЭ на поверхность кремния дало возможность снизить коэффициент отражения монохроматического света от 34,7-37% для чистой поверхности кремния до 0,01-1,2%. В работах также отмечается, что просветляющие слои из исследованных материалов более чем на 40-70% увеличивают спектральное значение фототока короткого замыкания и КПД кремниевого фотоэлектрического преобразователя.
В последние годы вырос интерес к изучению электрофизических и диэлектрических свойств пленок оксидов РЗЭ. Это вызвано в первую очередь тем, что при создании пленочных элементов и схем в различных устройствах большое значение имеют такие качества диэлектрика, как наличие большой диэлектрической проницаемости, незначительного температурного коэффициента емкости, малых диэлектрических потерь, достаточной термической и химической устойчивости, высокой электрической прочности, большого удельного сопротивления и т.д. Среди материалов, перспективных для изготовления тонких диэлектрических пленок, оксиды РЗЭ по многим из перечисленных параметров находятся в предпочтительном положении (см. таблицу 1.3). В связи с этим к настоящему времени проведен ряд исследований, посвященных изучению электрических свойств оксидных пленок РЗЭ и их использованию в электронике. Так, в работе [37] автор сообщает о возможности создания на основе ЬпгОз емкостных (удельная емкость равна 0,25 мкФ/см2, tgS=0,035) и активных элементов. Авторы [38], проанализировав зависимость диэлектрической проницаемости от ширины запрещенной зоны ряда окислов, пришли к заключению, что оксиды РЗЭ выгодно выделяются. Кроме того, они установили, что для получения конденсаторов с нулевым температурным коэффициентом емкости необходимо использовать оксиды с 20. Однако экспериментальным путем нулевой температурный коэффициент емкости был получен лишь для оксида гольмия в интервале температур 20-200 С, что очень важно при производстве тонкопленочных конденсаторов.
Проводимость и диэлектрические потери в кремниевых МДП-структурах с оксидами РЗЭ на переменном сигнале
Основные механизмы проводимости в изоляторах представлены в таблице 3.1. Рассмотрим кратко каждый из них. В случае эмиссии Шоттки процесс переноса заряда контролируется термоэлектронной эмиссией электронов через границу раздела МД или ДП. Для реализации этого механизма необходимо, чтобы энергия максвелловских электронов в металле или полупроводнике превышала высоту соответствующего барьера. Следует отметить, что в типичных МДП-структурах исходная высота потенциальных барьеров на границах МД и ДП настолько большая, что эмиссия Шоттки не вносит существенного вклада в проводимость диэлектрического слоя при комнатных температурах. Эмиссия Пула-Френкеля представляет собой ускоренный электрическим полем процесс термовозбуждения электронов с ловушек в зону проводимости диэлектрика. В случае кулоновских ловушек соответствующее выражение для тока фактически совпадает с выражением для эмиссии Шоттки. При этом, однако, Ф0 означает глубину ловушки, а не высоту энергетического барьера. Кроме того, для механизма Пула-Френкеля слагаемое +\ЦІЯЕІ , соответствующее полевому уменьшению энергетического барьера, в два раза больше, чем для эмиссии Шоттки. Туннельному механизму проводимости соответствуют либо чисто полевая ионизация захваченных электронов с ловушек диэлектрика в его зону проводимости, либо непосредственные туннельные переходы электронов из металла в зону проводимости диэлектрика. Характерными свойствами туннель ного механизма являются слабая температурная зависимость тока и очень сильная зависимость его величины от приложенного напряжения. Токи, ограниченные пространственным зарядом, наблюдаются при сильной монополярной инжекции носителей заряда в диэлектрик и при отсутствии в нем подвижных компенсирующих зарядов противоположного знака. В этом случае, если пренебречь захватом электронов на ловушки, ток пропорционален квадрату приложенного напряжения. При низких напряжениях и повышенных температурах ток в диэлектрике может определять обычное термовозбуждение электронов с ловушек в зону проводимости. При этом вольт -амперная характеристика (ВАХ) линейна, а соответствующая проводимость экспоненциально зависит от \1Т. Ионная проводимость диэлектриков подобна диффузионным процессам. Однако постоянная компонента ионного тока существенно уменьшается с течением времени после приложения напряжения, поскольку инжекция ионов в диэлектрик и их экстракция из него сильно затруднены [84].
Применительно к конкретным изолирующим слоям каждый из рассмотренных механизмов проводимости обычно доминирует в определенном диапазоне напряжений и температур. Так, например, проведенные в [85] исследования показали, что проводимость диэлектрических пленок оксидов тербия и лютеция в МДП-структурах в области полей Е 106 В/см и температур от 150 до 300 К описывается механизмом Пула-Френкеля. При более низких температурах становится существенным влияние барьеров МД и ДП и проводимость диэлектрика определяется туннелированием и надбарьерной эмиссией Шоттки.
Исследование механизма проводимости изучаемых диэлектрических пленок проводилось с помощью измерений вольт-амперных характеристик МДП-систем Al-ErQ-Si, Al-Dy -Gd -Si, Al - Dy20% - Y20, - Si, Al-Dy203 -Yb2Ol -Si [86-90]. Вольт-амперные характеристики снимались при комнатной температуре в темноте. ВАХ структур представлены на рис. 3.1-3.4.
Диэлектрические пленки, используемые для создания различных полупроводниковых приборов (варикапов, фотоварикапов, МДП-транзисторов и др.) и элементов интегральных схем, должны обладать минимальными диэлектрическими потерями и проводимостью на переменном сигнале. В этой связи в данном параграфе анализируются вольтаические зависимости проводимости и тангенса угла диэлектрических потерь МДП-структур с диэлектрическими пленками из оксида эрбия и с двухслойными диэлектрическими пленками из ОРЗЭ[91,92].
На рис. 3.9-3.12 представлены зависимости тангенса угла диэлектрических потерь tgS и активной составляющей проводимости G от приложенного
напряжения V при частоте измерительного сигнала 1 МГц для исследуемых МДП-структур. Как видно из рисунков, характеристики tgd от К имеют максимум при напряжении плоских зон и тенденцию к насыщению в области напряжений, соответствующих аккумуляции и инверсии на поверхности полупроводника. Активная составляющая проводимости увеличивается при переходе от обедняющих к обогащающим поверхность полупроводника основными носителями заряда напряжениям и выходит на насыщение в области напряжений, соответствующих инверсии и аккумуляции на поверхности полупроводника. Величины проводимости и тангенса угла диэлектрических потерь образцов в области напряжений, соответствующих аккумуляции, превышают аналогичные значения для области инверсии. При аккумуляции на поверхности полупровод ника наблюдается некоторое уменьшение значений тангенса угла диэлектрических потерь по сравнению с состоянием плоских зон. Эта закономерность обусловлена тем, что при переходе от напряжений, соответствующих состоянию плоских зон, к области аккумуляции реактивная составляющая проводимости структуры увеличивается быстрее активной. На кривых G от V подобный спад наблюдается лишь для МДП-структур с оксидом эрбия и может быть объяснен влиянием поверхностных состояний на границе раздела полупроводник-диэлектрик на проводимость структуры. В таблице 3.3 приведены пределы изменения величин tg5 и G для различных МДП-структур.
Анализ спектральных зависимостей фототока МДП-структур Al-Er20,-Si
Первые четыре случая обобщаются в виде соотношения: Іф{ку,У) = А{Ьу){Ьу єЬ(і+кУГ)\ (4.9) в котором предполагается снижение барьера по Шоттки: . = «,-«7". (4-ю) где гьо - высота энергетического барьера на межфазовой границе эмиттер-диэлектрик в отсутствии поля в изоляторе (для полупроводникового эмиттера определяется от вершины валентной зоны на границе), kVtU2 выражается в электрон-вольтах, п — показатель степени, зависящий от конкретного вида функции распределения электронов по энергиям на границе фаз, A(nv) hv — постоянная величина.
Выражение для фотоинжекционного тока (4.9) не учитывает процессы рассеяния электронов в диэлектрике. В действительности носители могут испытывать один или несколько актов рассеяния в области потенциальной ямы сил изображения (0 х Хт) [105]. После соударения с фононом электрон может изменить направление импульса и выйти из "конуса выхода", после чего последует его возвращение в эмиттер. Таким образом, рассеяние носителей в диэлектрике может существенно уменьшить вероятность их выхода. Следовательно, этот процесс необходимо учитывать в выражении для тока фотоинжекции. Согласно [105] учет рассеяния в области потенциальной ямы сил изображения в первом приближении осуществляется введением экспоненциального множителя exp(XJL), в котором L - средняя длина свободного пробега электрона в диэлектрике: It{hv,V) = A{hvthv-ew+kVrye-x- L (4.11)
Эта экспонента выражает вероятность того, что электрон преодолевает расстояние Хт до вершины барьера без соударения с фононами. При этом предполагается, что даже одиночный акт рассеяния в области 0 х Хт выводит электрон из дальнейшего рассмотрения, т.е. вероятность его выхода становится равной нулю. Наоборот, для тех электронов, которые достигли точки Хт) предполагается вероятность выхода через барьер равной единице, т.е. обратный выброс в область потенциальной ямы 0 х Хт не учитывается.
Поскольку вероятность рассеяния определяется отношением XJLy она сильно зависит от величины поля в диэлектрике, как видно из соотношения (4.4). В слабых полях расстояние Хт велико и экспоненциальный множитель в (4.11) может определять полевую зависимость тока фотоинжекции. С увеличением поля максимум потенциального барьера приближается к межфазовой гра нице и отношение XJL уменьшается. В области больших полей экспонента приблизительно равна единице (вероятность рассеяния мала) и для тока фото-инжекции можно использовать соотношение (4.9).
Запишем вольтаическую зависимость Іф(У) в явном виде:
Соотношение (4.12) показывает, что фотоинжекционный ток является функцией двух независимых параметров: энергии падающего фотона и приложенного напряжения. Поэтому исследование МДП-структур фотоинжекцион-ным методом распадается на измерение и анализ двух зависимостей спектральной (V - const) и вольтаической (hу = const).
Методика определения величин энергетических барьеров на межфазовых границах МД и ДП по спектральным зависимостям фототока МДП-структуры подробно описана в работах [104, 106-108]. Суть ее заключается в нахождении длинноволновой границы фототока, однозначно связанной с высотой энергетического барьера при заданном значении напряжения смещения. Экстраполяция графика зависимости высоты потенциального барьера от напряжения к нулевому значению последнего дает величину энергетического барьера на межфазовой границе в случае отсутствия электрического напряжения.
На рис. 4.2 представлены типичные зависимости приведенного на один фотон фототока структуры Al Er2Oi -Si і]}," от энергии фотона hy в координатах /ф" от hу для различных величин положительного (и = 3) и отрицательного (п = 2) напряжения V.
Определение величины и центроида заряда, захваченного в диэлектрической пленке оксида эрбия
Центроид Хс и плотность захваченного в диэлектрике заряда определялись по методике описанной выше, т.е. путем изучения ВФХ и вольтаических зави 94 симостей фотоинжекционного тока МДП-систем А1 Ег2Ог-8г с толщиной диэлектрика е?=90 нм. Типичные вольтаические зависимости фототока структу п /Ф-ю,2,л а) Инжекция электронов из алюминия
Вольтаические зависимости фототока структуры Al-Er202 -Si до (1) и после (2) облучения ры до и после ее заряжения путем облучения фотонами с энергией 3,2 эВ в течение 30 минут при постоянном напряжении приведены на рис. 5.4. Как видно, после облучения наблюдается уменьшение величины фототока, протекающего через структуру при заданном напряжении, обусловленное захватом заряда. Анализ вольтаических зависимостей фототока и вольт-фарадных характеристик до и после облучения структур светом позволяет считать, что захваченный при облучении заряд располагается в объеме диэлектрика. По сдвигу ВФХ структур МДП установлено, что в пленке Er1Oi захватывается отрицательный заряд, который может существовать длительное время после выключения напряжения и прекращения облучения. Последний результат свидетельствует о том, что захват заряда осуществляется на глубокие центры в объеме диэлектрика при протекании через структуру фототока. С помощью соотношения (5.4),и по сдвигу потенциала плоских зон были вычислены значения эффективного захваченного заряда. При этом плотность захваченного заряда, вычисленная с помощью соотношения (5.4), была несколько больше, чем величина захваченного заряда, рассчитанная по сдвигу ВФХ. Центроид заряда оценивался по формуле (5.3). Расчеты показали, что при временах облучения 30 минут захват электронов наблюдается вблизи середины диэлектрической пленки. Величина центроида, определенного от поверхности кремния, составляет 48 нм. Плотность захваченного в изоляторе заряда равна 1,6 10 7 Кл і см2.
Таким образом, фотоинжектированные электроны захватываются на глубокие центры диэлектрика, причем центроид захваченного заряда располагается почти в центре диэлектрического слоя. Данный результат показывает, что в исследованных структурах граница раздела Ег2Оъ -Si является резкой и не содержит протяженного нарушенного переходного слоя. Это, по-видимому, связано со сравнительно низкими температурами получения диэлектрических пленок, которые не вызывают значительных механических напряжений. 53. Энергетическая глубина залегания электронных ловушек в пленках оксида
Энергетическая глубина залегания электронных ловушек в пленке Ег2Ог определялась с помощью метода фотостимулированной деполяризации. Поэтому сначала МДП-структура Al-Erft —Si, к которой приложено отрицательное внешнее смещение, облучалась фотонами с энергией 5,2 эВ в течение 60 минут. В результате в изоляторе происходил захват инжектированных электронов на глубокие центры. После фотополяризации структура закорачивалась на электрометр при отсутствии внешнего напряжения, и измерялись спектральные зависимости фототока деполяризации рис. 5.5.
Спектральные зависимости тока фотодеполяризации: 1 - после фотополяризации, 2 - повторное измерение, 3 - третье измерение Как видно из рисунка, на указанных зависимостях после фотополяризации появляется пик фототока, с амплитудой, уменьшающейся при повторных измерениях. Данный фототок обусловлен фотовозбуждением захваченных электронов из ловушек в зону проводимости диэлектрика и дрейфом их под действием встроенного электрического поля диэлектрика. При повторном измерении спектральных зависимостей фото тока деполяризации степень заполнения электронных ловушек уменьшается, и величина пика фототока оказывается меньше. Результаты, представленные на рис. 5.5, позволяют оценить энергетическую глубину залегания электронных ловушек в пленке изолятора. Как видно, электронные центры захвата располагаются на энергетическом расстоянии 2,72 -3,45 эВ от дна зоны проводимости диэлектрика. Таким образом, ловушки в пленке оксида эрбия находятся достаточно глубоко под дном зоны проводимости.
Исследование особенностей накопления заряда в структурах А1 Ег2Ог - Si под влиянием ультрафиолетового излучения
Широкое использование МДП-структур в полупроводниковой электронике вызывает необходимость глубокого изучения вопросов, связанных с влиянием на их параметры и характеристики внешних воздействий. К достоинствам МДП-приборов относится их чувствительность к различного типа излучениям [116-121], а также большие функциональные возможности, позволяющие создавать устройства для запоминания и обработки электрической и оптической информации [95, 122].
В работах [54, 119, 120, 123] исследовано влияние ионизирующего излучения на кремниевые структуры с диэлектриками из оксидов диспрозия, иттербия и иттрия. Целью настоящего параграфа является изучение влияния ультрафиолетового излучения на электрофизические свойства МДП-структур с оксидом эрбия. При облучении структур АІ-Ег2Ог-8і, находящихся под действием постоянного напряжения, УФ излучением происходит захват заряда в диэлектрическом слое. По сдвигу C — V зависимостей вдоль оси напряжений (рис. 5.6, 5.7) определялись величина и знак захваченного заряда. Так, при облучении структур излучением с энергией фотонов hv = 5,2 эВ наблюдается смещение С V кривых по оси напряжений в сторону положительных значений при обеих полярностях прикладываемого напряжения. То есть, в процессе облучения системы Al ErlOi-Si монохроматическим светом с энергией фотонов, превышающей высоту потенциального барьера на межфазовой границе диэлектрика, но меньшей по величине ширины запрещенной зоны Ег2Ог (Eg = 5,4 эВ), наблюдается захват отрицательного заряда глубокими ловушками диэлектрика.
