Электрические методы измерения параметров полупроводниковых структур

Размещено на http://www.allbest.ru/

Электронно-дырочный переход

Электронно-дырочный переход (сокращенно n--p-переход) является основным элементом большинства полупроводниковых приборов. Он образуется в полупроводниковом кристалле, в котором имеется контакт между областью с электронной проводимостью и областью с дырочной проводимостью. Электронно-дырочный переход и образуется на границе этих областей.

Существует несколько способов изготовления полупроводниковых кристаллов с электронно-дырочным переходом.

Образование p-n перехода

В отсутствие электрического поля свободные электроны и дырки хаотично движутся по кристаллу. В результате такого движения свободные электроны могут сами по себе перейти через p--n-переход в дырочную область, а дырки -- в электронную. Посмотрим, что при этом произойдет.

Электроны, переходя из области n в область p, уносят с собой свой отрицательный заряд из области п. Следовательно, в кристалле область n после ухода электронов зарядится положительно, а область p -- наоборот, зарядится отрицательно, так как электроны принесут ей свой отрицательный заряд.

Не остаются в долгу и дырки. Диффундируя в электронную область, они несут ей свой положительный заряд, а в дырочной области в результате их ухода возрастает отрицательный заряд.

Таким образом, в результате диффузии электронов в дырочную область и дырок в электронную пограничная область кристалла электризуется.

На границе между областями возникает электрическое поле, получившее название поля электронно-дырочного перехода, которое начинает противодействовать дальнейшей диффузии зарядов, т. е. дырок и свободных электронов. Такое поле часто называют запирающим полем.

Опыты свидетельствуют о том, что полупроводниковый кристалл с р--n-переходом обладает односторонней проводимостью.

Контакты полупроводник - металл

Контакты между полупроводником и металлом широко используются для формирования внешних выводов от полупроводниковых приборов (невыпрямляющие контакты) и создание быстродействующих диодов и транзисторов (выпрямляющие контакты). Тип контакта полупроводник - металл (п/п - Ме) определяется работой выхода электронов из металла в полупроводник, типом проводимости полупроводника и концентрацией примесей в нем. Сопутствующими факторами являются знак и плотность поверхностного заряда на границе раздела.

Выпрямляющий контакт характеризуется нелинейной ВАХ типа (4.100), следовательно прямое сопротивление контакта (при подаче прямого напряжения смещения) меньше обратного.

Для получения выпрямляющего контакта между металлом и полупроводником n-типа проводимости работа выхода электронов из металла, должна быть больше, чем у полупроводника, то есть разность работ выхода должна быть больше нуля. Величину называют контактной разностью потенциалов. В этом случае при образовании контакта часть электронов переходит из полупроводника в металл; в полупроводнике появляется обедненный слой, содержащий положительный заряд ионов доноров. В обедненном слое возникает электрическое поле, препятствующее диффузии электронов к контакту (рис. 4.11, а). В контакте металла с полупроводником p-типа работа выхода электронов из металла должна быть меньше, чем из полупроводника, то есть контактная разность потенциалов. При этом электроны из металла переходят в полупроводник, что приводит к уменьшению концентрации дырок в его приповерхностной области (рис. 4.11, б).

На зонных диаграммах рис. 4.11 изгиб зон вверх в полупроводнике n-типа (рис. 4.11, а) и вниз в полупроводнике p-типа (рис. 4.11, б) соответствует уменьшению концентрации основных носителей, образованию обедненных слоев и потенциальных барьеров для электронов и для дырок, переходящих из полупроводника в металл.

Потенциальный барьер в приконтактном слое называют барьером Шотки. Его высота для электронов и для дырок является аналогом величины в p-n переходе. В зависимости от полярности приложенного внешнего напряжения высота этого барьера и, соответственно, сопротивление приконтактного слоя будут меняться.

Теоретическая оценка высоты барьера сложна; на практике используются экспериментальные величины. Например, при контакте Al c n-Si высота барьера 0,72 В, а при контакте Al c p-Si высота барьера 0,58 В. Для других металлических покрытий (Au, Ag, Pt, W, PtSi, WSi) при контакте с Si или GaAs эта величина составляет 0,4…0,9 В.

В зависимости от полярности приложенного внешнего напряжения высота барьера для электронов и для дырок со стороны полупроводника будут меняться. Соответственно, будет изменяться и сопротивление приконтактного слоя.

При этом подача отрицательного потенциала U на n-полупроводник или положительного - на p-полупроводник соответствует прямому напряжению на контакте п/п - Ме. Смена полярности приложенного напряжения соответствует включению обратного смещения.

Например, в контакте n-п/п - Ме при включении прямого напряжении U (плюсом к металлу, минусом к полупроводнику) уровень Ферми в металле, понижается относительно уровня Ферми в полупроводнике, на величину U, следовательно высота потенциального барьера, препятствующего переходу электронов из полупроводника в металл, уменьшается и становится равной. При включении обратного напряжения (минусом к металлу) уровень Ферми повышается относительно на величину U, поэтому высота потенциального барьера со стороны n-полупроводника увеличивается и становится равной +U. Величина контактной разности потенциалов при этом остается неизменной.

Таким образом, контакты, показанные на рис. 4.10, обладают выпрямляющими свойствами и могут быть основой диодов. Диоды, использующие барьеры Шотки, называют диодами Шотки. ВАХ выпрямляющего контакта аппроксимируется уравнением, аналогичным:

,

где 10^-15 А/м² - плотность тока насыщения (уравнение Ричардсона), B?1,1•10⁶ A/(м•K)²- коэффициент, ц_мп -высота барьера металл-полупроводник.

Невыпрямляющий (омический) контакт используется практически во всех полупроводниковых приборах для формирования внешних выводов от полупроводниковых областей; для него характерны близкая к линейной ВАХ и малое сопротивление.

Для получения омического контакта межу металлом и полупроводником n- типа проводимости разность работ выхода, а между металлом и полупроводником p-типа проводимости разность работ выхода. В первом случае электроны будут переходить из металла в полупроводник и зоны искривятся "вниз" (рис. 4.12, а), а во втором случае электроны будут переходить из полупроводника в металл и зоны искривятся "вверх" (рис. 4.12, б). В таких контактах вблизи границы в полупроводнике накапливаются основные носители, то есть получаются обогащенные зоны.

Наличие обогащенного слоя означает, что сопротивление контакта определяется нейтральным слоем полупроводника и, следовательно, не зависит ни от величины, ни от полярности приложенного напряжения. Иными словами, в этом случае потенциальные барьеры для движения носителей тока со стороны полупроводника и металла практически отсутствуют.

Следует еще раз подчеркнуть, что реально в полупроводниках электронного типа проводимости существует отрицательный поверхностный заряд, плотность которого, отнесенная к заряду электрона, составляет от 10¹²…10¹⁶ м^-2 (для кремния) до 10¹⁵ м^-2 (для арсенида галлия). Под действием этого заряда электроны выталкиваются из приповерхностного слоя полупроводника, что так же способствует образованию обеденного слоя. Поэтому высота барьера определяется не только разностью работ выхода, но и плотностью поверхностного заряда, а при очень высокой плотности поверхностного заряда (например, в арсениде галлия) практически не зависит от вида металла.

Гетеропереходы

Гетеропереходом называют контакт двух полупроводников различного вида и разного типа проводимости, например, pGe - nGaAs. Отличие гетеропереходов от обычного p-n перехода заключается в том, что в обычных p-n переходах используется один и тот же вид полупроводника, например, pSi - nSi. Поскольку в гетеропереходах используются разные материалы, необходимо, чтобы у этих материалов с высокой точностью совпадали два параметра: температурный коэффициент расширения (ТКР) и постоянная решетки.

С учетом сказанного количество материалов для гетеропереходов ограничено. Наиболее распространенными из них являются германий Ge, арсенид галлия GaAs, фосфид индия InP, четырехкомпонентный раствор InGaAsP.

На рисунке приведён пример зонной диаграммы гетероперехода.

Вертикальная линия - металлургическая граница. По обе стороны от границы различные материалы. Характерной особенностью зонной диаграммы является наличие скачков Ec и Ev на металлургической границе перехода. Пример дан для p-n перехода. При другом выборе легирования компонентов возможен изгиб зон в разные стороны.

На приведенном рисунке уровень Ферми постоянен: ЕF = const. Система находится в равновесии. Ток не течет.

Фк - разность работ выхода (контактная разность потенциалов).

Благодаря ненулевой контактной разности потенциалов образуется обедненная зона. Изменению концентрации р и n отвечает изгиб Еc и Еv

На линии Ес и Еv образуются скачки ДЕс и ДЕv, отвечающие скачку концентрации носителей заряда.

W1 и W2 - ширина обедненных зон.

ч1 и ч2 - сродство к электрону (электронное сродство, electron affinity - способность присоединить электрон). Сродство количественно измеряется энергией, которую нужно затратить, чтобы перевести электрон с уровня Еc на вакуумный уровень.

Подчеркнем, что особенностью зонной диаграммы гетероперехода является наличие скачков Еc и Еv на границе гетероперехода. Именно наличие скачков обеспечивает две принципиальные особенности гетероперехода.

1. Сверхинжекция

2. Образование двумерного электронного газа.

Гетеролазеры.

Гетеролазер - полупроводниковый лазер на основе гетероструктур. Наилучшими параметрами обладают гетеролазеры на основе трехслойной (двойной) гетероструктуры (ДГС) с активным слоем из узкозонного полупроводника, заключенным между 2 широкозонными полупроводниками.

а - «-» (от источника питания), б- «+» (от источника питания), 1,3 - (Al,Ga)As - широкозонный полупроводник, 2 - GaAs узкозонный полупроводник, толщина слоя d=1-1,5мкм.

Инжекционнный лазер представляет собой полупроводниковый двухэлектродный прибор с p-n-переходом (поэтому часто как равноправный используется термин "лазерный диод"), в котором генерация когерентного излучения связана с инжекцией носителей заряда при протекании прямого тока через p-n-переход.

Разновидности инжекционных лазеров. Рассмотренные теоретические положения предопределяют пути совершенствования простейшей структуры лазера. Обследованы и реализованы варианты расположения слоев по толщине кристалла. В гомогенном полупроводнике p-n-переход как средство электронного ограничения весьма несовершенен: при высоких уровнях накачки происходит бесполезная инжекция электронов влево (из-за падения коэффициента инжекции), ограничение справа достигается лишь естественным убыванием концентрации введенных дырок по закону exp(-х/L). Границы, определяющие "электронную" и "оптическую" толщины активной области W и Wопт, не определенны и меняются от режима накачки. Все эти несовершенства, проявляющиеся в конечном счете в высоком значении плотности порогового тока, предопределили бесперспективность лазеров на однородных полупроводниках.

Широкое промышленное распространение получили только гетеролазеры, общими особенностями которых являются односторонняя инжекция, четко выраженный волноводный эффект, возможность суперинжекции.

В односторонней гетероструктуре (ОГС) электронное ограничение слева идеально, а справа такое же, как и в лазере на гомогенном полупроводнике; преимущество ОГС перед другими гетероструктурами состоит в простоте технологии.

Поистине классической стала двойная (двусторонняя) гетероструктура (ДГС), в которой сверхтонкая активная область "зажата" между двумя гетерограницами: именно она позволяет получать малые пороговые плотности тока и значительные выходные мощности.

Особенности инжекционных гетеролазеров. Инжекционные гетеролазеры имеют ряд достоинств, выделяющих их среди излучателей и предопределяющих доминирующую роль в оптоэлектронике.

1. Микроминиатюрность: теоретическая минимальная длина резонатора близка к 10 мкм, а площадь его поперечного сечения - к 1 мкм^2 (объем активной области может достигать 10-12см3). Это возможно потому, что в полупроводниковых лазерах индуцированные переходы связаны не с отдельными дискретными уровнями, а с переходами зона - зона, поэтому и усиление в них наибольшее (gd10^3... 10^4 см-1).

2. Высокий КПД преобразования энергии накачки в излучение, приближающийся у лучших образцов к теоретическому пределу. Это обусловлено тем, что лишь при инжекционной накачке удается исключить нежелательные потери - вся энергия электрического тока переходит в энергию возбужденных электронов.

3. Удобство управления: низкие напряжения и токи возбуждения, совместимые с интегральными микросхемами; возможность изменения мощности излучения без применения внешних модуляторов; работа как в непрерывном, так и в импульсном режимах с обеспечением при этом очень высокой скорости переключения (в пикосекундном диапазоне).

4. Возможность генерации требуемой спектральной линии, обеспечиваемая выбором или синтезом прямозонного полупроводника с необходимой шириной запрещенной зоны; возможность одномодового режима.

5. Использование твердотельной микроэлектронной групповой технологии. Отсюда высокая воспроизводимость параметров, пригодность для массового производства, низкая стоимость, долговечность.

6. Совместимость с основным элементом микроэлектроники - транзистором (по типу используемых материалов и по технологии обработки). Это открывает принципиальную возможность создания интегрированных лазерных излучателей.

Инжекционным лазерам присущи и определенные недостатки, к принципиальным можно отнести следующие:

- невысокая когерентность излучения (в сравнении, например, с газовыми лазерами) - значительная ширина спектральной линии, большая угловая расходимость, эллиптический астигматизм;

- относительно малая генерируемая мощность (некоторые оптоэлектронные устройства, например голографические ЗУ, требуют лазеры большой мощности);

существенность таких негативных явлений, как временная деградация (в особенности для коротковолновых лазеров), резкое уменьшение мощности излучения при повышении температуры и воздействии радиации.

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 <100>). 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.

Литература

1. Ю.С. Чистов, В.Ф. Сыноров Физика МОП-структур. Воронеж ВГУ. 1989 год.

2. С.М. Репинский // Физика и техника полупроводников. 2001 год.

3. П.Б. Парчинский, С.И. Власов, А.А. Насиров // Физика и техника полупроводников. 2004 год.

4. П.Б. Парчинский // Микроэлектроника. 2005 год.

5. С.И. Власов, М.А. Эргашева, Т.П. Адылов // Письма в ЖТФ.2005 год.

6. С.И. Власов, А.А. Насиров, О.О. Маматкаримов, М.А. Эргашева // Электронная обработка материалов. 2008 год.

7. Е.А. Боброва, Н.М. Омельяновская // Физика и техника полупроводников. 2008 год.

8. С.И. Власов, Ф.А. Сапаров, Б.Х. Кучкаров // Узбекский физический журнал. 2009 год.

9. Берман Л.С., Лебедев А.А. Емкостная спектроскопия глубоких центров в полупроводниках. Ленинград, Наука. 1981 год.

10. С.И. Власов. // Физика полупроводниковых приборов. В 2-х т. М. Мир. 1984 год.

11. С.И. Власов. Электрические методы измерения параметров полупроводниковых структур. Т. Университет. 2007 год.

Размещено на Allbest.ru