ELECTRON PROSESSES IN SEMICONDUCTOR DIODES AND METAL - DIELECTRIC - SEMICONDUCTOR STRUCTURES .pdf Практически вся тематика исследований, которые проводились под руководством автора данной статьи, была связана с проблемами, решаемыми в научно-исследовательских институтах электронной промышленности и Академии наук. Ниже будут рассмотрены основные результаты, полученные при выполнении исследований по следующим направлениям: 1) переходные процессы в полупроводниковых диодах и их практическое применение; 2) электрические свойства диодных структур на основе стеклообразных полупроводников; 3) электрические свойства диодных структур на основе арсенида галлия, компенсированного центрами с глубокими уровнями; 4) электрические свойства МДП-структур на основе арсенида галлия и кремния; 5) винтовая неустойчивость полупроводниковой плазмы в германии и кремнии.1. ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДАХИ ИХ ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ1.1. Теория переходных процессовВ полупроводниковых диодах переходные процессы наблюдаются при любом достаточно быстром изменении падения напряжения (U) на нём или силы протекающего через него тока (I). Эти процессы обусловлены двумя явлениями: установлением стационарного распределения концентрации неосновных носителей заряда в базе диода и перезарядкой ёмкости области пространственного заряда (ОПЗ) p - n-перехода. Переходные процессы определяют длительность переключения из одного стационарного состояния в другое полупроводниковых диодов, фотодиодов, биполярных транзисторов и тиристоров.Переходные процессы в полупроводниковых диодах были обнаружены в 1950 г. В последовавшей затем серии теоретических работ рассматривались переходные процессы в диодах с p+ - n-переходом, длина базы которых W значительно превышала диффузионную длину Lp неосновных носителей заряда (дырок). Перезарядка ёмкости p+ - n-перехода в этих работах не учитывалась. В результате выполненных исследований было показано, что переходные процессы обусловлены накоплением или рассасыванием избыточных носителей заряда в базе диода, а время релаксации переходных параметров U(t) или I(t) определяется объёмным временем жизни дырок фp.Вторым этапом развития теории явилось рассмотрение переходных процессов в диодах с тонкой базой (W ≤ 2Lp) при скорости поверхностной рекомбинации на невыпрямляющем контакте, равной бесконечности.Для такой модели диода время релаксации переходных параметров зависит как от ф p, так и от величины времени пролёта дырок через базу W 2/Dp (где Dp - коэффициент диффузии дырок).Основным недостатком теоретических исследований, выполненных для диодов с тонкой базой, являлось предположение о том, что скорость поверхностной рекомбинации Sк на омическом контакте равна бесконечности. В реальных германиевых и кремниевых диодах этот параметр имеет конечную величину. В случае же фотодиода темп протекания переходных процессов при включении и выключении оптического излучения должен зависеть от значения скорости поверхностной рекомбинации S на светоприёмной поверхности его базы.Отсутствие теории для реальной модели полупроводникового диода существенно ограничивало использование переходных процессов в физических исследованиях. В связи с вышеизложенным автором данного сообщения в период с 1965 по 1969 г. была опубликована серия статей, в которых рассмотрена теория переходных процессов в полупроводниковом диоде и фотодиоде при произвольных значениях S и Sк [1 - 9].В этих работах на основе решений нестационарного уравнения непрерывности для дырок, инжектированных в базу диода, проведён анализ переходных процессов, сопровождающих включение диода в пропускное состояние скачком напряжения или силы тока в электрической цепи, выключение диода разрывом цепи, а также переключение диода из пропускного в запорное состояние.Из полученных результатов следует, что при низком уровне инжекции дырок в базу диода постоянная времени ф1, определяющая скорость протекания переходных процессов, подчиняется следующему соотношению:J-W +L.Для переходных процессов, которые возникают при включении диода скачком тока в цепи, при выключении - разрывом цепи и при переключении из пропускного в запорное состояние, параметр г1 является первым корнем уравненияctgг = гDp/(Sк W).В случае высокого уровня инжекции дырок в базу диода переходный процесс при включении диода в112пропускное состояние скачком тока в цепи удается проанализировать лишь при SK = со. При этом постоянную времени т i можно описать выражением±-^+±.0)т* 4W2 хргде Du = 2кТц„цр/[е(ц„ + Цр)] - амбиполярный коэффициент диффузии; р,и и Цр - подвижности электронов и дырок соответственно; к - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура; е - заряд электрона; хр -время жизни дырок в базе при высоком уровне инжекции.Задача для переходного процесса переключения диода из пропускного в запорное состояние в случае высокого уровня инжекции решается при произвольных значениях SK, ах\ описывается выражениями (1) и (2) при замене Dp на Du и хр на хр.В 1969 г. был проведён анализ переходных процессов, которые возникают при воздействии прямоугольного импульса оптического излучения на фотодиод, работающий в режиме вентильной фотоэдс. Показано, что при малом уровне оптического возбуждения базы фотодиода постоянная времени, характеризующая нарастание и спад фотоэдс во времени, описывается выражениями (1) и (2), если SK заменить на S.Анализ переходных процессов с помощью зарядового уравнения показал, что при малых изменениях падения напряжения на диоде необходимо учитывать перезарядку ёмкости р - и-перехода. Скорость протекания переходных процессов при включении и выключении диода с учётом этого характеризуется постоянной времени, равной тэ + Ср_п Rp_n, где тэ « х{и называется эффективным временем жизни носителей заряда в базе диода; Cp_„Rp_„ - постоянная времени перезарядки ёмкости р - и-перехода; Ср_п -среднее значение ёмкости р - и-перехода в рассматриваемом интервале напряжений; Rp-„ = kTI(eIs) - сопротивление р - и-перехода; Is - ток насыщения р - п-перехода.Из рассмотренного выше материала видно, что в диодах с тонкой базой темп протекания переходных процессов зависит от значений следующих параметров: хр, SK или S, W и от постоянной времени перезарядки ёмкости р - и-перехода. В диодах с барьером Шоттки, работа которых не связана с инжекцией неосновных носителей заряда в базу, длительность протекания переходных процессов определяется только постоянной времени перезарядки ёмкости запорного слоя. Подробный анализ всех переходных процессов в полупроводниковых диодах с полуограниченной и тонкой базами на основе решений уравнения непрерывности и зарядового уравнения дан в работе [10].1.2. Применение теории переходных процессов в научных исследованиях и разработках приборовИз теории переходных процессов следует два возможных варианта разработки быстродействующих импульсных диодов. С этой целью можно использовать либо диоды с р - и-переходом на основе полу-проводников с малым временем жизни носителей заряда, либо диоды с барьером Шоттки. Оба варианта были использованы сотрудниками НИИПП и СФТИ при разработке быстродействующих импульсных диодов на основе арсенида галлия [11,12]. В результате созданы и внедрены в промышленное производство импульсные диоды наносекундного диапазона.Теорию переходных процессов можно также применить для определения хр, S или SK в зависимости от конструкции диода, если в выражение для ii ввести поправочный коэффициент, учитывающий реальную структуру диода. Большой объём экспериментальных исследований в этом направлении был выполнен младшим научным сотрудником СФТИ В.М. Калыги-ной и аспирантами В.Ф. Агафонниковым, С.А. Зайд-ман [13 - 27]. В результате проведённой работы были определены вышеперечисленные параметры базы диодов, изготовленных из Ge и Si и-типа с широким набором удельных сопротивлений. Изучены зависимости хр и S от температуры, уровня инжекции дырок в базу диода, а также зависимость S от метода обработки поверхности базы и состава окружающей газовой среды.Установлено, что технологический цикл изготовления полупроводниковых диодов приводит к уменьшению хр и увеличению S на поверхности базы по сравнению с исходным монокристаллом. Величина SK на контакте олова с германием примерно на порядок выше S на поверхности базы при любом её удельном сопротивлении. Для сплавного контакта Si с Аи, легированном сурьмой, значение SK того же порядка, что и S на свободной поверхности базы.Переходные процессы в совокупности с изучением вольт-амперных характеристик (ВАХ) были использованы для оценки качества защитных покрытий поверхности базы диодов и биполярных транзисторов. Такая методика позволяла на одном и том же приборе определять изменение S, обратного тока и пробивного напряжения под действием защитного покрытия.В 1967 - 1969 гг. был опубликован цикл работ, посвященных уточнению механизмов влияния анизотропного и одноосного давления на хр, S и ВАХ для германиевых и кремниевых диодов [20 - 25]. Вся совокупность полученных данных позволила установить, что единственной причиной, которая приводит к уменьшению хр при воздействии механического давления, является увеличение концентрации рекомбинационных центров в базе диода. При этом дополнительно возникающие рекомбинационные центры после снятия давления исчезают, т.е. являются обратимыми. Зависимость S от давления обусловлена увеличением концентрации рекомбинационных центров на поверхности базы диода и концентрации собственных носителей заряда nt.Исследования обратной ветви ВАХ показали, что резкое увеличение тока насыщения Is германиевых диодов с р - и-переходом, начиная с некоторого значения воздействующего давления, в общем случае обусловлено возрастанием и, за счёт уменьшения ширины запрещённой зоны, а также изменениями хр, S и \ip. В области больших обратных напряжений для германиевых и кремниевых диодов наблюдается рез-113кии рост с увеличением давления генерационной составляющей тока, усиленной эффектом Пула - Френкеля [10] за счёт увеличения концентрации генераци-онно-рекомбинационных центров.В связи с возможностью использования полупроводниковых диодов в качестве высокочувствительных датчиков магнитного поля в 1969 - 1970 гг. проведены исследования по влиянию магнитного поля на ВАХ и переходные процессы в германиевых диодах с полу ограниченной базой [26, 27]. Для диодов с полусферической формой /7-области р - и-перехода наблюдалось увеличение длительности протекания переходных процессов при наличии магнитного поля, вектор магнитной индукции которого направлен от инжектирующего к омическому контакту. Теоретический анализ показал, что этот экспериментальный факт обусловлен продольным магнитоконцентраци-онным эффектом.2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВАДИОДНЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕСТЕКЛООБРАЗНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ2.1. Электрические свойства структурметалл - халькогенидный стеклообразныйполупроводник - металл илимонокристаллический полупроводникВ 1954 г. учёными ФТИ им. А.Ф. Иоффе Б.Т. Ко-ломийцем и Н.А. Горюновой был открыт новый класс полупроводников - халькогенидные стеклообразные полупроводники (ХСП), обладающих целым рядом уникальных свойств. Это открытие привело к развёртыванию широкомасштабных исследований в СССР и за рубежом электрических и фотоэлектрических свойств ХСП и тонкоплёночных структур на их основе с целью создания новых активных элементов, необходимых для микроминиатюризации электронной аппаратуры. Основная часть исследований в этом направлении была выполнена в ТГУ и СФТИ аспирантами: В.Д. Базаровым, А.И. Бадлуевым, Л.И. Терёхи-ной, а также старшим научным сотрудником В.М. Ка-лыгиной [28 - 46]. Часть исследований проводилась при тесном сотрудничестве с НИИ полупроводниковых приборов.В качестве объектов исследования служили тонкоплёночные структуры на основе ХСП различных систем: As-S-J, As-S-Tl, Se-Ge, Te48As3oSii2Geio, CdGeAs2. В результате проведённых исследований установлена природа эффектов переключения и памяти, а также генерации переменного тока ВЧ-диапазона, наблюдаемых в этих структурах. Подробный анализ эффектов переключения и памяти в диодных структурах на основе ХСП дан в работе [10]. Выполнена серия работ, посвященных изучению механизмов переноса заряда в тонких плёнках ХСП при наличии постоянного или переменного электрического поля. Полученные закономерности объясняются на основе представлений о прыжковой проводимости по локализованным электронным состояниям с привлечением эффектов сильного электрического поля.Несмотря на большой объём исследований, выполненных в вузах, а также в НИИ академии наук иэлектронной промышленности, в результате которых был открыт целый ряд интересных эффектов, тонкоплёночные структуры на основе ХСП не нашли широкого применения в радиоэлектронике. Не удалось решить проблему стабильности электронных устройств на основе ХСП.2.2. Электрические свойства структурметалл - оксидный стеклообразныйполупроводник - металлВ нашей стране основная часть исследований по этой тематике была выполнена в ТГУ и СФТИ в тесном сотрудничестве с институтом кибернетики АН ГССР. Активное участие в этих исследованиях принимали аспиранты: В.И. Косинцев, В.А. Резников, Э.Ф. Ряннель и ст.н.с. СФТИ В.М. Калыгина.Тонкоплёночные диодные структуры на основе оксидных стеклообразных полупроводников (ОСП), содержащих оксиды некоторых переходных металлов (например, ванадия), после электрической формовки обладают эффектом переключения из состояния с высоким сопротивлением в состояние с высокой проводимостью. Таким же свойством обладают и образцы, полученные путём быстрого вплавления металлических электродов (в виде проволочек) в бусинку ОСП [47 - 52]. В результате проведённых исследований было установлено, что после электрической формовки в образце образуется поликристаллический канал, замыкающий электроды.Если ОСП содержит пятиокись ванадия, то в канале в зависимости от режима формовки образуются кристаллиты одного из следующих оксидов: V02, V4O7, VeOn, V5O9. Все эти оксиды обладают фазовым переходом полупроводник - металл при температурах (7ф) 340, 240, 177 и 139 К соответственно. При напряжении переключения за счёт выделяемого джоулева тепла температура канала повышается до 7ф, вследствие чего кристаллиты, например V02, переходят в состояние с металлическим типом проводимости. Сопротивление образца резко падает, на ВАХ появляется участок с ОДС.В зависимости от материала электродов структуры металл - ОСП - металл могут обладать либо эффектом переключения, либо эффектом переключения с памятью [53 - 55]. В структурах на основе ванадиево-фосфатных стёкол с алюминиевыми электродами наблюдался эффект переключения. При замене А1 на Ni, Pt или платинородий образцы обладали свойствами элементов памяти.Эффект переключения с памятью был обнаружен и в структурах на основе стекла системы РЬО - А1203 -- В203 - Si02, содержащего 30% РЬО (проценты кати-онные) [56]. В таких структурах в процессе электрической формовки в межэлектродном пространстве происходит расплавление стекла и при последующем охлаждении - кристаллизация с образованием нити РЬ02, обеспечивающей высокую проводимость образца, сохраняющуюся и после снятия напряжения. Затем при пропускании тока достаточно большой величины нить РЬ02 нагревается и разлагается. Одним из продуктов разложения является тетрагональная модификация РЬО. В результате этого процесса обра-114зец переходит в состояние с высоким сопротивлением. При последующей подаче напряжения диодная структура вновь возвращается в состояние с низким сопротивлением и т.д.Эффект обратимого переключения с памятью из одного состояния в другое наблюдался и для структуры металл - РЬО - металл [57]. В более поздней работе [58] было показано, что переход структуры такого типа из состояния с высоким сопротивлением в состояние с высокой проводимостью связан с трансформацией слоя РЬО в РЬОг под действием сильного электрического поля. Явление обратимых фазовых переходов РЬО РЬ02 было использовано для разработки энергонезависимых элементов памяти на основе структур металл - РЬО - полупроводник [58]. В качестве полупроводника использовался вырожденный Si или GaAs.В элементах памяти на основе РЬО запись и стирание логической единицы обусловлено не накоплением и рассасыванием заряда электронов на плавающем затворе (как в приборах на основе МОП-транзисторов), а резким изменением сопротивления слоя оксида свинца при подаче импульса напряжения (или тока) определённой амплитуды. Разработанные элементы памяти выгодно отличаются от элементов на основе МОП-транзисторов простотой конструкции, а также возможностью проводить запись и стирание логической единицы импульсами напряжения одной полярности. Параметры таких элементов памяти слабо зависят от температуры. Новизна разработки элемента памяти на основе РЬО подтверждена авторским свидетельством.Одновременно с изучением эффектов переключения и памяти в ОСП в период с 1976 по 1990 г. был выполнен большой объём работ по исследованию спектров поглощения, термостимулированных токов диэлектрической релаксации, диэлектрических потерь, электропроводности в слабых и сильных постоянных и переменных электрических полях [59 - 76]. На основе детального анализа полученных экспериментальных данных В.И. Косинцев в своей кандидатской диссертации для описания эффектов сильного электрического поля и диэлектрической релаксации в ОСП, содержащих V205, предложил модель связанных поляронов малого радиуса (ПМР), предполагающую их локализацию кулоновским полем заряженных дефектных центров [74, 75].В предложенной модели эффект сильного электрического поля связан не с термополевой ионизацией кулоновских центров, а с увеличением вероятности перехода (путём последовательных актов перескока) ПМР через барьер, разделяющий соседние области локализации. Механизмом, ответственным за диэлектрическую релаксацию, выступает релаксационная поляризация дипольных комплексов типа «кулонов-ский центр - ПМР», обусловленная ограничением движения ПМР в пределах областей локализации. В рамках этой модели получены выражения, описывающие зависимости плотности тока и диэлектрической проницаемости от напряжённости постоянного электрического поля, а также соотношение, определяющее время диэлектрической релаксации.3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВАДИОДНЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕАРСЕНИДА ГАЛЛИЯ,КОМПЕНСИРОВАННОГО ЦЕНТРАМИС ГЛУБОКИМИ УРОВНЯМИНачиная с 1970 г., коллектив сотрудников НИИПП под руководством С.С. Хлудкова стал заниматься исследованием электрических свойств диодных структур, полученных диффузией Mn, Fe, Cr в арсенид галлия и-типа. В дальнейшем такие исследования проводились и в СФТИ. Ниже дано краткое изложение результатов, полученных по этой тематике аспирантами В.М. Диамантом, Г.М. Фукс и ст.н.с. СФТИ А.А. Ви-лисовым, В.Н. Брудным.Детальные исследования показали, что диоды, изготовленные диффузией переходных металлов в и-GaAs, являются многослойными структурами типа р - л - v - п или л - v - п. На прямой и обратной ветвях ВАХ таких структур наблюдались участки с ОДС 5-типа. Причём время переключения структур при обратном смещении из состояния с высоким сопротивлением в состояние с высокой проводимостью составляло 10~10 - 10~9 с. Малое время переключения, чувствительность напряжения переключения к воздействию светового излучения и гидростатического давления указывают на перспективность использования таких структур для создания формирователей импульсов тока с субнаносекундными фронтами, быстродействующих переключателей, управляемых светом, датчиков давления и других электронных элементов.С целью установления физической природы эффектов переключения р - л - v - и-структур было проведено исследование прямых и обратных ветвей ВАХ, фотоэлектрических и тензоэлектрических явлений в диодах на основе GaAs, компенсированного Мп или Fe [77 - 86]. Из полученных результатов следует, что особенности ВАХ таких структур обусловлены наличием глубоких уровней (ГУ) в л- и v-областях. При малых прямых напряжениях в этих структурах преобладающей является составляющая тока, обусловленная туннелированием электронов через ГУ в ОПЗ л - v-перехода в местах с повышенной концентрацией примесей. При больших напряжениях основным становится инжекционный ток и на ВАХ, как правило, появляется участок с ОДС S-типа.В структурах на основе GaAs (Mn) в л-области имеется только один сорт ГУ акцепторного типа, характеризующийся резким неравенством сечений захвата дырок (ур) и электронов (уи) (у„ » ур). Формирование участка ВАХ с ОДС в этом случае связано с перезарядкой ГУ дырками за счёт двойной инжекции носителей заряда в базу диода (л-область). До напряжения переключения прямая ветвь ВАХ описывается двойной инжекцией носителей заряда в диэлектрик или полупроводник в дрейфовом или диффузионном приближении в зависимости от концентрации равновесных дырок в л-области.Прямая ветвь ВАХ диодных структур на основе GaAs (Fe) при высоком уровне инжекции описывается теорией, предложенной В.И. Стафеевым. Формирование участка ВАХ с ОДС в этом случае обусловлено ростом диффузионной длины электронов в л-области115при увеличении уровня инжекции. Наличие нескольких сортов акцепторных ГУ в л-области приводит к появлению осцилляции падения напряжения на диоде при токах, соответствующих участку ВАХ с ОДС.На обратной ветви ВАХ диодов на основе GaAs, компенсированного Мп или Fe, наблюдаются два участка с ОДС S-типа. Появление первого из них обусловлено захватом дырок на акцепторные ГУ в v-час-ти ОПЗ % - v-перехода при развитии лавинного пробоя. Нейтрализация акцепторных ГУ приводит к увеличению плотности объёмного заряда и напряжённости электрического поля в % - v-переходе, что вызывает рост обратного тока. Реализуется обратная связь между величиной лавинного тока и напряжённостью поля в % - v-переходе, которая и приводит к переключению диода в проводящее состояние.Формирование второго участка ВАХ с ОДС 5-типа связано с развитием лавинно-теплового пробоя диодной структуры. При этом мощность, соответствующая поворотной точке ВАХ, уменьшается с увеличением температуры окружающей среды по линейному закону.Исследовано также влияние на электрические и тензоэлектрические свойства диодов из GaAs радиационных дефектов, возникающих за счёт облучения электронами [87, 88]. В качестве объектов исследования служили диоды с р+ - и-переходом, а облучение проводилось электронами с энергией 2 МэВ при дозах D, лежащих в интервале от 2-Ю15 до 8-Ю15 см~2. Установлено, что до облучения электронами диодов при прямых напряжениях U< 1 В преобладающим является рекомбинационный ток. После облучения, начиная с некоторого U, значение которого уменьшается при увеличении D, появляется второй участок ВАХ с более слабой зависимостью / от U. При больших значениях D (порядка 8-1015 см~2) и напряжениях (U> 4 В) на прямой ветви ВАХ наблюдается участок сублинейной зависимости / от U. Рекомбинационная составляющая тока, которая остаётся главной в области малых напряжений, растёт по мере увеличения D.Полученные результаты можно объяснить, если учесть, что при облучении GaAs электронами в нём возникают радиационные дефекты с ГУ акцепторного типа, расположенные в верхней половине запрещённой зоны [88]. Возникновение ГУ акцепторного типа в базе диода (и-область) приводит к увеличению её сопротивления и падению напряжения на ней, что и обуславливает появление второго участка ВАХ. Наличие участка ВАХ с сублинейной зависимостью / от U связано с образованием прианодного статического домена обогащенного слоя. Рекомбинационная составляющая тока растёт с увеличением D за счёт уменьшения времени жизни носителей заряда в ОПЗ р+ - и-перехода, вызванного образованием радиационных дефектов.На обратной ветви ВАХ р+ - и-перехода наблюдается увеличение напряжения лавинного пробоя ищ по мере возрастания D [88]. При этом форма ВАХ заметно искажается. При U> U^ зависимость обратного тока /0бр от напряжения характеризуется наличием двух участков. На первом участке /0бР ~(U- ищ), а на втором - /о6р ~ (U- l/щ)3. Эти факты обусловлены резким увеличением сопротивления базы диода после облучения электронами. С учётом этого падение на-116пряжения на диоде при развитии лавинного пробоя U= Unv + Ue, где U& - падение напряжения на базе. Таким образом, зависимость /о6р от U- Unv описывает ВАХ базы диода. В области малых значений U- Unp, при которых инжекцией электронов из р+ - «-перехода и дырок из омического контакта в базу можно пренебречь, её ВАХ описывается законом Ома. При больших значениях U - ищ наблюдается зависимость /0бр от Us, характерная для случая двойной инжекции носителей заряда в диэлектрик или компенсированный полупроводник.Для необлучённых диодов в интервале температур от 77 до 300 К ищ увеличивается с ростом Т по линейному закону. После облучения электронами на кривой, изображающей температурную зависимость ищ, появляется максимум. Так же как для диодов, изготовленных из GaAs (Fe), его появление связано с инерционностью перезарядки акцепторных ГУ в и-части ОПЗ р+ - и-перехода при изменении их положения относительно квазиуровня Ферми [10, 88].Зависимость коэффициента тензочувствительно-сти облучённых диодов от прямого и обратного напряжений при различных значениях D подтверждает высказанные выше положения.4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВАМДП-СТРУКТУР И МДП-ДИОДОВ НА ОСНОВЕАРСЕНИДА ГАЛЛИЯ И КРЕМНИЯВ период с 1990 по 2000 г. в научных журналах опубликовано множество статей, в которых обсуждается вопрос о возможности создания МДП-транзистора на основе арсенида галлия. К началу этого периода было установлено, что на границе раздела различных по составу диэлектриков и GaAs энергетический зазор между дном зоны проводимости Ес и уровнем Ферми Fs слабо реагирует на изменение напряжения, поданного на МДП-структуру. Это положение можно сформулировать по-другому: в МДП-структурах на основе GaAs наблюдается слабая зависимость поверхностного потенциала ys от напряжения на затворе. Отсюда следует невозможность создания МДП-транзистора на основе GaAs. Для усиления зависимости ys от U необходимо существенно уменьшить плотность электронных поверхностных состояний (ПС) на поверхности GaAs. Заметный вклад в изучение данной проблемы был сделан сотрудниками ТГУ, СФТИ в содружестве с сотрудниками НИИПП и Института неорганической химии СО РАН (г. Новосибирск). Значительная часть исследований в этом направлении была выполнена аспирантом А.В. Паниным.На первом этапе исследований по обсуждаемому вопросу была сделана попытка снизить плотность ПС за счёт использования в качестве диэлектрика слоя ванадиево-боратного стекла, полученного с помощью высокочастотного магнетронного распыления [89]. В результате детального анализа зависимостей ёмкости и активной проводимости от напряжения на МДП-структуре в диапазоне частот тестового сигнала от 22 до 105 эВч-см~2 при комнатной температуре и в интервале 295 - 367 К при частоте 103 Гц было установлено, что полная плотность ПС Nm на поверхности GaAs составляет 9-Ю13 эВч-см~2. Причём лишь ни-чтожно малая часть этих состояний, плотность которых Nm ~ 5-10~3 Ntn, реагирует на тестовый сигнал с частотой от 22 до 105 Гц и определяет величины ёмкости С, и активной проводимости G,, обусловленных перезарядкой ПС. В дальнейшем эти состояния будем называть «быстрыми».Благодаря высокому значению Ыш, уровень Ферми на поверхности GaAs закрепляется в термодинамически равновесных условиях на 0,79 эВ ниже Ес. При этом МДП-структура находится в режиме слабой инверсии и d\q>s\ I Л/=-3,6-1(Г3, т.е. зависимость поверхностного потенциала от напряжения очень слабая. Это свидетельствует о бесперспективности использования таких МДП-структур для создания полевого транзистора.Благодаря наличию ПС, N^ которых велика, и широкому набору времён релаксации этих состояний, в рассматриваемых структурах практически невозможно снять высокочастотную вольт-фарадную характеристику (ВФХ). В связи с этим в работе [89] предложен метод определения Nm по двум тестовым частотам, соответствующим максимумам на кривых, изображающих зависимость G(co)/co от U или lg со, где со - циклическая частота.Второй этап исследований по вышеобозначенной тематике был посвящен изучению возможности снижения Nm и N, за счёт следующих факторов: 1) использования диэлектрических слоев различного состава, полученных низкотемпературными методами; 2) подлегирования поверхности GaAs халькогенид-ными элементами; 3) использования термического и лазерного отжигов готовых МДП-структур.В качестве диэлектрических слоев использовались плёнки: оксинитрида кремния (SixNyOz), диоксида кремния (Si02), нитрида бора (BN), полученные плаз-мохимическим методом, а также плёнки анодного окисла (Ga203). Для перечисленного набора диэлектрических слоев Nt находится в интервале значений от 2 10й до 6 1011 эВ^-см"2, a 7Vto - от 7,5 1012 до 4,3 1013 эВ^-см"2.Результат обработки поверхности GaAs халькоге-нидными элементами (S, Se Те) зависит от типа проводимости полупроводника и состава диэлектрика. Например, при подлегировании GaAs и-типа серой или теллуром значение Nm увеличивается. Противоположный эффект наблюдается в МДП-структурах на основе /7-GaAs при введении в приповерхностный слой полупроводника серы или селена. Наименьшие значения N^ (примерно 2-1012 эВч-см~2) получены для таких структур при использовании слоя Si02 в качестве диэлектрика.Термический отжиг структур Pd - BN - и-GaAs в комнатной атмосфере при температурах 100 или 200 °С и в атмосфере водорода при 200 °С существенно не изменяет величину Nm, но уменьшает Nt в 2 - 10 раз.Результат воздействия импульсного лазерного отжига (ИЛО) на МДП-структуру не зависит от материала диэлектрика и типа проводимости полупроводника, а определяется длиной волны, длительностью импульса и плотностью энергии лазерного излучения (Wn). ИЛО с Ws меньше некоторого критического значения Wj^ вызывает уменьшение Иш. Наоборот, при WR > 1Ґлк Nfo увеличивается. Плотность быстрых ПСпод воздействием ИЛО меняется в противофазе относительно изменений Nm.В конечном итоге из всей совокупности полученных данных следует, что ни один из методов, использованных в исследованиях, не позволил снизить полную плотность ПС до необходимого для разработки МДП-транзистора уровня. Значение Nm должно быть не больше 1011 эВч-см~2. Многочисленные попытки других исследователей по созданию МДП-транзистора на основе GaAs также не привели к успеху.Одной из актуальных проблем твердотельной электроники в настоящее время является создание малогабаритных, высокочувствительных и быстродействующих газовых сенсоров. В связи с этим в ТГУ и СФТИ в течение ряда лет исследуется влияние во-дородосодержащих газов на электрические свойства МОП-структур на основе кремния и туннельных МОП-диодов на основе Si и GaAs [93 - 99], в которых в качестве полевого электрода используются плёнки каталитического металла (палладия или платины). Основная часть экспериментальных исследований в этом направлении выполнена ст.н.с. В.М. Калыгиной и аспирантом М.О. Дученко.Проведённые исследования показали, что при воздействии водорода или водородосодержащего газа (NH3, CH4) на МОП-структуру из и-Si при фиксированном напряжении наблюдается увеличение ёмкости С и активной проводимости G. В кремниевых МОП-диодах кроме С и G увеличивается прямой и обратный ток. В МОП-диодах на основе и-GaAs под действием активного газа заметно изменяется только величина тока при обеих полярностях поданного напряжения.В процессе выполнения работы получены зависимости величины и времени отклика кремниевых МОП-структур на воздействие водорода от температуры и толщины диэлектрика (слой Si02). Показано, что наилучшими характеристиками обладают структуры с туннельно тонким слоем Si02. Изучены зависимости величины отклика МОП-структур по ёмкости и активной проводимости от концентрации водорода. Исследованы также концентрационные зависимости величины откликов по С, G и / для кремниевх МОП-диодов. Получены данные по влиянию термического отжига на электрические и газочувствительные характеристики МОП-структур и туннельных МОП-диодов из Si и GaAs.Из анализа экспериментальных фактов следует, что влияние активных газов на вольт-фарадные, вольт-сименсные и вольт-амперные характеристики исследованных структур обусловлено уменьшением напряжения плоских зон с7пз. В свою очередь, изменение сУп.з возникает за счёт диссоциативной адсорбции активного газа на поверхности полевого электрода с последующей диффузией атомов водорода к границам раздела металл (Pd или Pt) - оксид и оксид -полупроводник. На первой границе раздела образуются диполи из атомов водорода, снижающие работу выхода электрона из металла, на второй границе формируется слой протонов. Оба фактора приводят к уменьшению Un3.В конечном итоге в результате проведённых исследований установлено, что кремниевые туннельные МОП-диоды можно использовать в качестве быстро-117действующих и высокочувствительных газовых сенсоров. Для внедрения в практику необходимо оптимизировать технологию получения однородных слоев Si02 с толщиной порядка 30 А, а также технологию нанесения на слой оксида полевого электрода.5. ВИНТОВАЯ НЕУСТОЙЧИВОСТЬПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ПЛАЗМЫВ ГЕРМАНИИ И КРЕМНИИ5.1. Поверхностно-винтовая неустойчивость полупроводниковой плазмы в германииВинтовую неустойчивость (ВН) можно возбудить, если полупроводниковый образец, по которому протекает ток, поместить во внешнее магнитное поле, вектор магнитной индукции которого В направлен параллельно (или антипараллельно) вектору напряжённости электрического поля Е. При этом значения В и Е должны быть не меньше некоторых пороговых величин Вп и Еп. При выполнении этих условий во внешней электрической цепи, содержащей источник напряжения и сопротивление нагрузки, возникают колебания тока, а на поверхности образца - колебания потенциала. По форме эти колебания близки к синусоидальным и обусловлены возникновением винтовой волны плотности электронно-дырочной плазмы в полупроводниковом образце.Полупроводниковые образцы, способные генерировать переменный ток при наличии магнитного поля, были названы осциллисторами. Простым и удобным способом создания полупроводниковой плазмы является инжекция носителей заряда из токовых контактов, поэтому чаще всего в качестве осциллисторов используются р+ - п - п+ (р+ -р - п+У структуры.Интерес к исследованиям ВН был обусловлен возможностью создания на основе осциллисторного эффекта новых приборов, например, генераторов ВЧ-диапазона и чувствительных элементов (ЧЭ) с частотным выходом различного назначения. Главными преимуществами ЧЭ с частотным выходом перед обычными аналоговыми являются: высокая помехозащищённость при передаче информационного сигнала по проводным линиям, простота преобразования сигнала в цифровой код.Экспериментальные и теоретические исследования показали, что в германиевых осциллисторах возбуждается поверхностно-винтовая неустойчивость (ПВН). Благодаря малым значениям скорости поверхностной рекомбинации, плотность полупроводниковой плазмы распределена однородно по площади поперечного сечения германиевого осциллистора. Поэтому в нём возникает поверхностная винтовая волна, возбуждение которой связано с резким перепадом плотности плазмы на поверхности образца. Так называемая линейная теория ПВН была создана до начала исследований по этой тематике в ТГУ и СФТИ. В этой теории показано, что в области слабых магнитных полей Еп- Вп = const и получены выражения для порогового значения волнового вектора кп и пороговой частоты соп.В период с 1974 по 1983 г. в работах ст. н. с. СФТИ Г.Ф. Караваева с сотрудниками была развита нелинейная теория мягкого режима возбуждения ВНпри небольшом выходе за порог по электрическому или магнитному полю для образцов цилиндрической геометрии и при р,и = \ip, S= 0. Более последовательная теория (без ограничений на величины ц„, \ip и S) создана для образцов, длина и ширина которых значительно превосходит их толщину, а толщина много больше диффузионной длины неосновных носителей заряда (полупространство) или сравнима с ней (пластина). Экспериментальную проверку этих теорий осуществила аспирант Г.Ф. Карлова [100 - 106].Измерения линейных и нелинейных параметров проводились на осциллисторах, имеющих форму стержней и пластин, изготовленных из почти собственного германия. Для проверки линейной теории ВН в образцах обоих типов исследовались зависимости Вт соп от Е, определялся кп и его изменение вдоль пороговой кривой, описывающей зависимость Вп от Е. Полученные данные в основном подтвердили выводы линейной теории ВН.Для проверки нелинейной теории изучались зависимости амплитуды переменного тока /, потенци

Скачать электронную версию публикации