Границы раздела полупроводник — диэлектрик

Составной частью большинства современных полупроводниковых приборов является структура металл-диэлектрик-полупроводник (МДП). Физические процессы, происходящие на границах раздела полупроводник-диэлектрик структуры МДП оказывают существенное влияние на рабочие характеристики полупроводниковых приборов.

В работах [1,5] показано, что наличие примесных центров [1,3] или центров иной природы [4,5] в полупроводниковой подложке структуры металл-диэлектрик-полупроводник (особенно при наличии их профиля распределения концентрации) оказывает влияние на спектры распределение плотности поверхностных состояние по ширине запрещенной зоны полупроводника. В работах [6,7] показано, что наличие заряженных центров, локализованных в слоях диэлектрика [7], прилегающих к границе раздела с полупроводником [6], изменяет волът-фарадную характеристику структуры металл-диэлектрик-полупроводник и, следовательно, оказывает влияние на распределение плотности поверхностных состояний. В работе приведены данные о влиянии на распределение плотности поверхностных состояний центров, локализованных на самой межфазной границе раздела полупроводник-диэлектрик.

Для изучения распределения плотности поверхностных состояний по ширине запрещенной зоны полупроводника, наиболее часто используется методика тем новых, высокочастотных вольт-фарадных (C-V) характеристик структуры металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) [1,9,10]. Эта методика основана на сравнении теоретической и экспериментальной C-V характеристик, с последующим дифференцированием разности полученных значений по величине прикладываемого напряжения. Анализ используемой методики показал, что определение плотности поверхностных состояний вблизи инверсионной области C-V характеристики, так же как и вблизи области сильного обогащения. (см. рис.1), приводит к значительным погрешностям. полупроводниковый диэлектрик гетеропереход.

Теоретическая и экспериментальная вольт-фарадные характеристики структуры МДП, нормализированные к величине емкости слоя диэлектрика.

Это обусловлено необходимостью дифференцирования разности значений двух близких величин. Для уточнения диапазона применимости указанного метода нами использовались наиболее широко применяемые в микроэлектронике структуры металл-диэлектрик-полупроводник типа Al-SiO₂-n-Si, изготовленные методом термического окисления кремния (КЭФ -5, с кристаллографической ориентацией). Концентрация кислорода в исходном Si составляла 3?10¹⁷ см ^-3. Было использовано 5 структур, каждая из которых измерялась по 5 раз в идентичных условиях и обрабатывалась при помощи одного и того же метода темновых высокочастотных вольт-фарадных характеристик [1, 11]. На рисунке 2 приведено дифференциальное распределение плотности поверхностных состояний по ширине запрещенной зоны, исследуемых структур, построенное в результате усреднения всех проведенных измерений.

Усредненное по образцам распределение плотности поверхностных состояний по ширине запрещенной зоны полупроводника Из проведенного рисунка видно, что наименьшей вразброс полученных данных имеет место в интервале энергий от Е_с-0,2 эВ до Е_с-0,7 эВ. Именно в указанном диапазоне энергий наблюдается хорошее совпадение результатов всех проведенных измерений. В то же время наблюдается достаточно большой разброс значений усредненных величин плотности поверхностных состояний, вблизи краев зон энергий. Как видно из рисунка 2, в диапазоне энергий от Е_с до Е_с-0,2 эВ и от Е_с-0,7 эВ до Е_v указанный разброс достигает 30%. В ряде случаев, это превышает допустимую погрешность при измерении распределения дифференциальной плотности поверхностный состояний по ширине запрещенной зоны полупроводника. Причина возникновения такого разброса данных на наш взгляд может заключаться в следующем. При уменьшении обогащающего напряжения, прикладываемого к структуре электроны, локализованные на поверхностных состояниях, за счет термической генерации начинают забрасываться в зону проводимости. При этом существует большая вероятность их обратного захвата, т.к. концентрация электронов вблизи границы раздела достаточно велика [10]. При достижении напряжения, соответствующему инверсии приповерхностной проводимости, на перезарядку поверхностных состояний накладывается процесс захвата генерированных электронов зарядом инверсионного слоя [9].

Из приведенных результатов можно сделать следующие выводы. Использование метода высокочастотных вольт-фарадных характеристик для определения дифференциального распределения плотности поверхностных состояний, локализованных на границе раздела полупроводник-диэлектрик, по ширине запрещенной зоны полупроводника, ограничивается диапазоном энергий, лежащим в интервале от Е_с-0,2 эВ до Е_с-0,7 эВ.

В заключении хотим выразить благодарность нашему научному руководителю проф. Власову С. И. за предложенную тему работы и постоянное внимание при обсуждении полученных результатов.