Влияние дефектов на электрофизические свойства структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник
коэффициент передачи ТМБ оказывают интерференционные эффекты, обусловленные прохождением частиц над потенциальной ямой, соответствующей области металлической базы, которые приводят к его квазипериодической осцилляции и могут быть использованы для получения заданных электрофизических свойств. Рассчитанные распределения потенциала в ОПЗ эмиттера и коллектора ТМБ позволяют прогнозировать наиболее вероятный механизм переноса носителей заряда в этой структуре для моделирования ВАХ транзистора с металлической базой.
Приведены соотношения, позволяющие прогнозировать параметры полупроводниковых приборов, сформированных на основе МДП-структур. Анализ результатов прогнозирования электрофизических свойств и характеристик полупроводниковых приборов на основе МДП-структур с помощью разработанной модели показал, что электрофизические свойства МДП-структур – емкость диэлектрика и объемного заряда
, величина объемного заряда
и объемного потенциала
, а также напряжения плоских зон
позволяют прогнозировать величину порогового напряжения, размах и крутизну МДП-транзистора, коэффициенты нелинейности и перекрытия, а также величину добротности МДП-варикапов; целенаправленное введение в полупроводник примесей, создающих в запрещенной зоне ГУ, позволит получить МДП-варикапы, имеющие особенности ВФХ вида «ступенька», «колокол», «волна» и др. (рис. 6 – 8); увеличение добротности МДП-варикапа может быть достигнуто путем уменьшения удельного сопротивления полупроводникового материала за счет его неоднородного легирования по заданному закону.
Таким образом, такие МДП-структуры можно использовать при проектировании варикапов, применяемых в составе перестраиваемых частотных фильтров.
В заключении сформулированы основные научные и практические результаты работы.
В приложениях приводятся описание и схемы электрические принципиальные разработанных блоков автоматизированной системы диагностики полупроводниковых структур.
Основные результаты диссертационной работы
1. Рассмотрено влияние глубоких энергетических уровней и неравномерного распределения электрически активных примесей на электрофизические свойства полупроводниковых структур. Показана целесообразность учета этих факторов на распределения потенциалов, а также вольт-фарадные характеристики структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник.
2. Разработана математическая модель распределения потенциала, позволяющая учитывать влияние ГУ и неравномерного распределения примесей на электрофизические свойства структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник.
3. Проведено теоретическое исследование влияния ГУ и неравномерного распределения электрически активных примесей на распределения потенциалов в структурах металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник, а также вольт-фарадные характеристики МДП-структур. Установлено, что акцепторные ГУ в кремнии n-типа проводимости могут приводить к уменьшению высоты потенциального барьера структуры металл-полупроводник на величину
мВ; существенное влияние акцепторные ГУ с энергетическим положением
эВ могут оказывать при температурах
К, c
эВ при
К, с
эВ при
К; ВФХ МДП-структур при наличии в полупроводнике акцепторных ГУ отличаются меньшими по абсолютной величине значениями напряжений инверсии, коэффициентов перекрытия, возможным появлением участков с отрицательной дифференциальной емкостью.
4. С целью проведения экспериментального исследования произведена модернизация автоматизированной системы диагностики полупроводниковых структур, в ходе которой разработаны устройство определения температуры исследуемой полупроводниковой структуры, блок сопряжения и контроля, блок напряжения смещения, позволяющие расширить функциональные возможности АСДПС, а также повысить оперативность определения электрофизических свойств полупроводниковых структур и параметров ГУ.
5. Установлено, что при обработке пластин кремния электроискровым разрядом никелевым электродом, в его запрещенной зоне формируются акцепторные ГУ. Полученные значения энергий ионизации (,
,
,
) обусловлены комплексами дефектов с участием атомов никеля, а также близки к известным из литературы параметрам ГУ, обусловленных наличием в кремнии дислокаций.
6. Рассчитаны зависимости плотности поверхностных состояний от величины поверхностного потенциала для рассмотренных МДП-структур с учетом наличия ГУ. Показано, что их учет повышает достоверность определения плотности поверхностных состояний.
7. Рассмотрены возможности применения разработанной модели при прогнозировании электрофизических свойств и характеристик полупроводниковых приборов, формируемых на основе структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник на примерах транзистора с металлической базой и поверхностного варикапа.
8. Исследовано влияние квантово-механических эффектов, обусловленных движением электронов в потенциальном поле структуры полупроводник-металл-полупроводник, на коэффициент передачи ТМБ. Установлено, что существенное влияние на коэффициент передачи ТМБ оказывают интерференционные эффекты, обусловленные прохождением частиц над потенциальной ямой, соответствующей области металлической базы, которые приводят к его квазипериодической осцилляции и могут быть использованы для получения заданных электрофизических свойств.
9. Показано, что применение разработанной модели позволяет уточнить выбор соответствующей теории переноса заряда в структурах металл-полупроводник, а также повысить достоверность определения электрофизических параметров границы раздела диэлектрик-полупроводник в МДП-структурах.
Таким образом, полученные результаты могут быть использованы для оптимизации технологических режимов формирования активных элементов ИС, уточнения электрофизических свойств полупроводниковых приборов, а также физического моделирования характеристик перспективных активных элементов сверхскоростных ИС на этапе их проектирования.
Публикации по теме диссертационной работы
1. Захаров А.Г., Богданов С.А. Вольт-фарадные характеристики МДП-структур с учетом однозарядного глубокого энергетического уровня // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. 2007. № 5. С. 21–27.
2. Захаров А.Г., Котов В.Н., Богданов С.А. Моделирование распределения потенциала в барьерах Шоттки транзистора с металлической базой // Нано- и микросистемная техника. 2007. № 4. С. 45–47.
3 Богданов С.А., Варзарев Ю.Н., Набоков Г.М. Автоматизированная система измерения параметров глубоких уровней в полупроводниковых структурах // Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники: Труды 8-й Международной научно-технической конференции. Часть 1 – Таганрог 2002 – С. 88 – 89.
4. Захаров А.Г., Филипенко Н.А., Богданов С.А. Моделирование влияния электрически активных примесей на вольт-фарадные характеристики МДП-структур // Математические модели физических процессов: Сб. научных трудов 10-й Международной научной конференции. – Таганрог, 2004 – С. 121–124.
5. Захаров А.Г., Филипенко Н.А., Богданов С.А. Термоэлектрическая эффективность дислокационного электронно-дырочного перехода // Математические модели физических процессов: Сб. научных трудов 11-й Международной научной конференции. – Таганрог, 2005 – C. 125-127.
6. Захаров А.Г., Богданов С.А., Набоков Г.М. Автоматизированный комплекс для диагностики МДП-структур // Опто- и наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы: Труды 3-й международной конференции. – Ульяновск, 2005 – С. 70.
7. Захаров А.Г., Богданов С.А. Влияние электрически активных примесей и их распределения на вольт-фарадные характеристики МДП-структур // Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники. Труды 10-й Международной научной конференции. – Таганрог, 2006 – С. 93–95.
8. Захаров А.Г., Богданов С.А. Моделирование влияния глубоких энергетических уровней на вольт-фарадные характеристики МДП-структур // Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы: Труды IV Международной конференции. – Ульяновск, 2006. – С. 118.
9. Захаров А.Г., Филипенко Н.А., Богданов С.А. Исследование свойств границы раздела диэлектрик-полупроводник в МДП-структуре с глубокими энергетическими уровнями // Труды IX Международной конференции «Современный физический практикум». Волгоград, – 2006. – С. 128–129.
10. Захаров А.Г., Колпачев А.Б., Богданов С.А. Концепция модели функционирования транзистора с проводящей базой нанометрических размеров // Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники: Труды 10-й Международной научной конференции. – Таганрог. – 2006. – C. 40–42.
11. Захаров А.Г., Богданов С.А., Варзарев Ю.Н., Набоков Г.М. Устройство для определения температуры полупроводниковой структуры при измерении параметров глубоких энергетических уровней // Известия ТРТУ. – Таганрог, 2004. № 8 (43). – C. 214–215.
12. Захаров А.Г., Богданов С.А. Моделирование распределения потенциала в приповерхностной области полупроводника с глубокими уровнями // Известия ТРТУ. – Таганрог, 2005. № 9. – С. 217–222.
13. Захаров А.Г., Богданов С.А. Моделирование вольт-фарадных характеристик МДП-структур с неоднородным распределением основной легирующей примеси// Известия ТРТУ. – Таганрог: ТРТУ, 2006. № 9. – С. 57–61.
В работах, написанных в соавторстве, личный вклад автора состоит в следующем: [1, 7 – 9, 12, 13] проведено моделирование и исследование влияния глубоких энергетических уровней и неравномерного распределения электрически активных примесей на электрофизические свойства и характеристики рассматриваемых в работах полупроводниковых структур; [2] выполнено моделирование распределения потенциала в барьерах Шоттки транзистора с металлической базой (ТМБ) для различных законов распределения легирующей примеси; [3] разработано программное обеспечение обработки экспериментальных данных с целью расчета параметров ГУ, а также определения электрофизических свойств границы раздела диэлектрик-полупроводник; [4] предложен метод моделирования влияния электрически активных примесей на вольт-фарадные характеристики МДП-структур; [5] произведена оценка величины термоэлектрической эффективности дислокационного электронно-дырочного перехода; [6] предложена структурная схема автоматизированного комплекса для диагностики МДП-структур; [10] предложена концепция построения модели ТМБ нанометрических размеров; [11] разработано устройство определения температуры исследуемой полупроводниковой структуры.
Типография Технологического института Южного федерального университета в г. Таганроге
Зак. № Тираж 110 экз.