Электронныхустройств

Лекция 9 ФИЗИКА ПОВЕРХНОСТИ И РАБОТА ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ

9.1	Влияние поверхности на работу полупроводниковых приборов

Наличие поверхности оказывает существенное влияние на работу электронных устройств. Отрицательное влияние поверхностных явлений на работу диодов, транзисторов связано с существованием поверхностной рекомбинации. Она вызывает снижение коэффициента полезного действия солнечных элементов и других фотопреобразователей, уменьшение коэффициента усиления транзисторов, увеличение обратных токов p-n- переходов. Наличие поверхностной рекомбинации приводит также к снижению чувствительности полупроводниковых фотопреобразователей в коротковолновой области спектра, когда свет поглощается в очень тонком приповерхностном слое полупроводника. Возможно управление скоростью поверхностной рекомбинации. Использование этой возможности часто позволяет устранить (полностью или частично) перечисленные факторы.

Надежность работы полупроводниковых приборов зависит и от величины, и от стабильности поверхностного потенциала полупроводника, поскольку он определяет концентрацию носителей заряда в приповерхностной области. В свою очередь, поверхностный потенциал определяется (при отсутствии внешнего электрического смещения) зарядом на поверхностных электронных состояниях (состояниях границы раздела) и зарядом, встроенным или инжектированным в диэлектрик системы «диэлектрик – полупроводник». Таким образом, необходимо как знать параметры этих электронных состояний и заряды в диэлектриках, так и уметь управлять ими и стабилизировать их свойства в случае воздействий температур, полей и излучений.

Если поверхность полупроводникового прибора не защитить от примесей, то атомы их будут захватываться на уровни поверхностных состояний, изменяя их заряд и другие характеристики. Это приведет к дрейфу поверхностного потенциала, появлению его планарной неоднородности, и в конечном итоге, к дрейфу параметров прибора и его возможному выходу из строя. Поэтому в технологии микроэлектроники всегда применяют защиту (пассивацию) поверхности полупроводниковых приборов и интегральных схем. Наилучшим для этой цели является слой оксида кремния, который иногда дополнительно легируют примесями бора, фосфора или свинца.

Однако даже защищенная диэлектрическим слоем поверхность не всегда остается стабильной. Дело в том, что в диэлектрике, особенно в области его границы раздела с полупроводником, могут быть расположены примесные включения и их комплексы с различными структурными дефектами, часто имеющими электрический заряд. Поэтому под действием электрических полей, всегда существующих в работающем приборе, возможно медленное перемещение этих примесей и дефектно – примесных комплексов как вглубь диэлектрика, так и в область границы раздела с полупроводником. Результат известен: изменение степени и характера заполнения электронных состояний границы раздела и электрических полей в этой области, дрейф поверхностного потенциала и связанных с ним характеристик, возникновение локальных утечек и пробоя диэлектрика.

Поверхностные состояния влияют также на шумы полупроводниковых приборов, особенно в низкочастотной области. Ведь носители заряда, захватываясь на поверхностные состояния и высвобождаясь с них, всегда будут вызывать некоторые флуктуации токов и зарядов приборов.

Еще один эффект, который оказывает существенное влияние на работу электронных устройств – поверхностное прилипание (захват) носителей на поверхностные электронные состояния. Прилипание будет происходить, если сечения захвата электрона и дырки значительно отличаются (в противном случае будет наблюдаться поверхностная рекомбинация). Центры прилипания обычно расположены в запрещенной зоне полупроводника вблизи краев его разрешенных энергетических зон и поэтому называются мелкими центрами. Показано, что их природа для кремния (широко используемого в электронике материала) тесно связана со структурными дефектами приповерхностной области полупроводника или границы между диэлектриком и полупроводником. Такие дефекты вводятся при механической обработке (резке, шлифовке) кремниевых пластин, а также при окислении и других операциях под воздействием возникающих полей механических напряжений (связанных, например, с различными коэффициентами термического расширения для кремния и оксида кремния).

Центры прилипания могут существенно изменять многие характеристики приборов: их быстродействие, величину фоточувствительности, термостабильность, коэффициент усиления. Выше рассматривалось их влияние на фотопроводимость при обогащающих приповерхностных изгибах зон. Здесь эффект прилипания играет положительную роль. Благодаря его влиянию можно также повысить коэффициент передачи фототранзисторов, создать элементы запоминания информации. Однако все это сопровождается падением быстродействия приборов и повышением чувствительности их характеристик к температуре, освещению и другим выдам излучений. Поэтому в каждом конкретном случае приходится выбирать: использовать эффект поверхностного прилипания или от него избавляться.

Поверхность является стоком для примесей и дефектов. Они скапливаются на ней, диффундируя как из полупроводника, так и из слоя диэлектрика. Например, уровень легирования полупроводника на поверхности, как правило, отличается от уровня легирования объема. Это также необходимо учитывать при создании конкретных электронных устройств.

9.2	Электронные устройства на основе тонких пленок

В электронике в последнее время все большее применение находят тонкопленочные устройства и структуры. Получают данные структуры методом эпитаксии.

Эпитаксия означает получение упорядоченной пленки на поверхности подложки (монокристалла). Материал подложки обеспечивает ориентацию атомов растущей пленки. Материала пленки и подложки могут быть идентичными и различными по составу. В первом случае говорят об автоэпитаксиальном или гомоэпитаксиальном процессе и также называются полученные структуры. Таковы, например, кремниевые пленки, полученные на подложках кремния. Во втором случае процесс называется гетероэпитаксиальным, и полученные структуры носят называние гетероструктур.

Физические свойства эпитаксиальных слоев могут существенно отличаться от свойств материала подложки. Например, эпитаксиальные слои кремния обычно почти не содержат примесей кислорода и углерода, чего очень трудно добиться для обычного кремния.

Создание многослойных эпитаксиальных структур, в которых параметры каждого слоя и границ между слоями подбираются исходя из требований оптимизации работы данного полупроводникового прибора, оказалось очень перспективным направлением. Таким путем удалось создать: полупроводниковые лазеры, фотопреобразователи с рекордными параметрами, недостижимыми для традиционной планарной технологии. Главным на этом пути является достижение понимания роли поверхностей и границ раздела в протекании физических процессов в твердом теле и использование возможности изготовления структур с необходимыми параметрами поверхностей и границ раздела.

Одним из важнейших эффектов, проявляющихся в тонкопленочных твердотельных структурах, является туннелирование. Уже в дискретном полупроводниковом приборе – диоде с p-n- переходом – использование туннельного эффекта позволило получить такие новые качества, как, например, возможность генерировать высокочастотные электрические сигналы. Для структур «металл – диэлектрик – полупроводник», в которых достаточно просто изготовить тонкие (порядка 10 - 50 нм) диэлектрические слои, «туннельно- прозрачные» для носителей, и в то же время можно легко управлять концентрацией и энергией носителей на границе между диэлектриков и полупроводником, а также высотой и формой потенциального барьера (приложением внешнего электрического смещения), использование туннельного эффекта позволило создать запоминающие элементы с электрической (полевой) записью и стиранием информационного заряда и возможностью его сохранения при отключении питания в течение нескольких лет. Кроме того, физические исследования особенностей туннельного эффекта в таких системах позволяют определить фундаментальные характеристики поверхности, объема и границ раздела твердых тел (такие, например, как эффективные массы электронов и дырок), знание которых представляет как научную, так и практическую ценность.

Влияние больших электрических полей на носители в полупроводниках и трехслойных структурах имеет еще один важный аспект, связанный с так называемым эффектом разогрева носителей. Он заключается в способности свободных носителей, находящихся в разрешенной зоне полупроводника и ускоряемых приложенным электрическим полем, приобретать энергию, существенно превышающую их энергию в равновесном состоянии. Последняя зависит от температуры и при комнатной температуре ~ 0,025 эВ. Использование эффекта разогрева носителей позволило разработать новые полупроводниковые приборы и усовершенствовать уже известные.

Эффект разогрева носителей нашел применение в области конструирования транзисторных структур, способных работать в СВЧ диапазоне (100-200 ГГц). Все обычные конструкции транзисторов в этом диапазоне частот неработоспособны. В настоящее время уже разработан ряд СВЧ – транзисторов на горячих электронах. Общим для них является то, что разогретые полем носители пролетают активную (например, базовую) область транзистора практически без рассеяния энергии. Кроме того, большая энергия позволяет им беспрепятственно преодолевать потенциальный барьер коллекторной (стоковой) области. Естественно, что для работы в СВЧ – диапазоне размеры активной зоны транзистора должны быть минимальны (на практике достигнуты значения 0,3-0,5 мкм).

Однако наиболее высокое быстродействие имеют логические элементы, использующие так называемый эффект Джозефсона – эффект переключения в системе, состоящей из двух сверхпроводящих пленок, разделенных туннельно- прозрачным барьером (толщиной до 5 нм). Их время переключения достигает 10^-13 с. Джозефсоновский переход может находиться в двух состояниях: сверхпроводящем состоянии (тогда падение напряжения на нем равно нулю) и нормальном. Для переключения используется подача импульса тока с величиной, превышающей критический ток разрушения сверхпроводимости.

До недавнего времени элементы Джозефсона могли работать лишь при температурах 4 – 20 К, что очень ограничивало перспективы их применения. Открытие в 1986 году эффекта высокотемпературной сверхпроводимости (при температурах 80-120 К и выше) на соединениях и подобных им оксидных керамиках открывает новые перспективы перед этим направлением. Более подробно о явлении сверхпроводимости будет рассказано позднее.

Важнейшим видом электронных устройств, при конструировании которого активно используется знание физики поверхности, являются элементы памяти на основе структуры «металл – нитрид – окисел- полупроводник». Принцип действия данного устройства описан выше. Назначение металлического электрода – создание на необходимой площади диэлектрической пленки электрического поля при подаче напряжения смещения. Положим, что мы подали на металлический электрод импульс положительной полярности. При этом из кремния в будут инжектироваться электроны, и в нитриде кремния запишется отрицательный информационный заряд. Однако в это же время будет происходить эмиссия дырок из металлического электрода (или, то же самое, часть электронов уйдет из вещества в металл). В результате суммарный информационный заряд в нитрид кремнияуменьшится, что приведет к ухудшению характеристик запоминания.

Для предотвращения такого нежелательного эффекта предложено несколько путей. Один из них – нанесение на слой нитрида кремния еще одной диэлектрической пленки – окиси алюминия . Этот материал, обладающий большей шириной запрещенной зоны (8,7 эВ), чем нитрид кремния, создает дополнительный потенциальный барьер для эмиссии носителей с металлического электрода. Другой путь – использование вместо нитрида кремния диэлектрика с переменной шириной запрещенной зоны (варизонного) – оксинитрида кремния . Изменяя в процессе его синтеза значения x,y,z, удается менять состав пленки от до . Если подобрать характер варизонности таким образом, чтобы ширина запрещенной зоны увеличивалась по направлению к металлическом электроду, то также удается подавить эмиссию носителей из металла. Последний путь является более перспективным, так как не требует введения в стандартную технологию нового процесса – нанесения пленки .

Следующим важным видом пленочных электронных устройств, который мы рассмотрим, являются элементы памяти с «плавающим» затвором. Для создания в диэлектрике центров, способных захватывать заряд, можно использовать так называемый плавающий затвор. Он представляет собой тонкий слой металла или полупроводника, находящийся внутри диэлектрического слоя и, таким образом, изолированный от всех электродов прибора (транзистора). Преимущество таких запоминающих структур – способность очень долго сохранять записанный заряд. Запись осуществляется с помощью инжекции горячих носителей через часть диэлектрика, отделяющего полупроводник от плавающего затвора. Для стирания применяют ультрафиолетовое облучение. Структуры с плавающим затвором довольно сложны в изготовлении, так как процесс создания плавающего затвора не должен ухудшать параметры подзатворного диэлектрика, толщина которого составляет 30-50 нм.

Поверхностные фоторезисторы и фоторезисторы и фототранзисторы. Фоторезистор – прибор, использующий явление фотопроводимости, рассмотренное выше. На этот эффект сильно влияет поверхность. Правильный выбор величины поверхностного изгиба зон позволяет увеличить фотопроводимость при в несколько десятков раз. Особенно сильно этот положительный эффект проявляется при малых длинах волны света, когда велик коэффициент его поглощения, мала глубина поглощения и, следовательно, велика роль поверхностной рекомбинации и прилипания. Для кремния эти длины волн попадают в важную спектральную область видимого и ультрафиолетового света. Таким образом, неправильный выбор условий на поверхности сделает фоторезистор «слепым» во всей спектральной области, за исключением узкой полосы с или . И наоборот, оптимизация поверхностных характеристик позволяет получить прибор, чувствительный к свету во всей области от 0,2 мкм до 1,1 мкм (для кремния). Более того, изменяя условия на поверхности, можно регулировать фоточувствительность в этом спектральном диапазоне.

Изменять состояние поверхности (изгиб зон) наиболее удобно в структуре «металл – диэлектрик – полупроводник» (с металлическим электродом, проницаемым для света) с приложением внешнего смещения. Подобную структуру имеет и тонкопленочный транзистор, схема которого приведена на рис.9.1.

Если требуется зафиксировать одно состояние, то достаточно нанести на поверхность кремния диэлектрик (например, оксид кремния). При этом должно удовлетворяться несколько условий:

· процесс нанесения диэлектрика не должен сильно ухудшать объемные характеристики полупроводника;

· заряд, встроенный в диэлектрик, должен обеспечивать необходимый знак и величину поверхностного изгиба энергетических зон в полупроводнике;

· граница раздела «диэлектрик- полупроводник» должна быть достаточно совершенной (иметь низкую плотность электронных состояний и их необходимое распределение по ширине запрещенной зоны полупроводника).

Для приборов на основе кремния этот комплекс проблем можно считать решенным, но для других материалов существует еще много задач.

Поверхностно- барьерные фотодиоды и фотопреобразователи. В поверхностно- барьерных фотодиодах используется эффект возникновения поверхностной фотоэдс при разделении неравновесных носителей электрическим полем области приповерхностного пространственного заряда. Общим требованием к приборам такого типа является создание на поверхности условий, оптимальных для генерации фотоносителей и их сбора на контактные области. При соблюдении этих условий удается так же, как и в случае фоторезисторов, повысить чувствительность в коротковолновой области спектра при сохранении высокой однородности фотоответа в разных точках освещаемой поверхности.

Важной сферой использования поверхностно- барьерных фотопреобразователей являются солнечные фотоэлементы. Как видно из рассмотрения, проведенного ранее, солнечный элемент – это обычный фотодиод, но оптимизированный для работы в соответствующих условиях (уровнях освещенности, диапазоне энергий квантов света, большой рабочей площади). Поверхностно- барьерные солнечные элементы по сравнению с аналогичными приборами на диффузионных p-n- переходах обладают всеми преимуществами, характерными для приборов с оптимальным состоянием поверхности: высокой фоточувствительностью в коротковолновой области спектра, высокой однородностью параметров по поверхности элементов, простотой конструкции и технологичностью. Следует отметить и недостаток данных устройств. Они еще дороги вследствие высокой стоимости полупроводниковых материалов. Выход из создавшегося положения – в использовании вместо полупроводниковых пластин с толщиной 0,3 мм тонких полупроводниковых пленок толщиной 1 мм, нанесенных на различные недорогие подложки (металлы, стекла, полимеры). Оказалось непросто получить такие пленки, обладающие достаточно высокой фоточувствительностью. Однако эта задача в настоящее время может считаться решенной. Пленки аморфного кремния, легированного водородом, используются для этой цели.

Дата добавления: 2014-01-07