Состояние поверхности полупроводника существенно влияет не только на поверхностные процессы, но и на свойства контактов проводник-диэлектрик, полупроводник-полупроводник и др., что в свою очередь отражается на свойствах полупроводниковых приборов: p-n-переходов, МДП-структур, фото- и светодиодов и т.д.
Ослабление эффективности полевых транзисторов происходит в результате формирования поверхностного и приповерхностного заряда на границе полупроводник-диэлектрик. Этот заряд экранирует рабочий канал МДП-структуры. Увеличиваются емкость структуры и время ее переключения.
Аналогичные эффекты работают в ПЗС-приборах, которые содержат МДП (МОП) конденсаторы. В результате параметры ПЗС-приборов ухудшаются.
В светоизлучающих приборах (светодиодах, полупроводниковых лазерах) эффективность работы определяется отношением вероятности излучательной и безызлучательной рекомбинации. Если же поверхности кристалла имеются поверхностные состояния типа ловушек – центров рекомбинации, вероятность поверхностной рекомбинации возрастает. Поскольку поверхностная рекомбинация является безыизлучательной, КПД светоизлучающего прибора падает.
Кроме того, скорость рекомбинации носителей на поверхности кристалла определяет изменение спектральных характеристик фотодиодов, фоторезисторов, а также величину фотоЭДС, рост обратного тока p-n-перехода диодов, транзисторов и др. Как известно, обратный ток через переход зависит от времени жизни неравновесных носителей τn и τp
. (8.31)
С уменьшением времени жизни неравновесных носителей обратный ток через p-n-переход часто значительно превосходит величину, определяющуюся выражением (8.31). Называют несколько причин, которые могут спровоцировать это явление.
1. На поверхности кристалла может возникнуть поверхностный ток вследствие появления электронной или ионной проводимости по окисной пленке либо по адсорбирующей пленке влаги. Тогда появится ток утечки и обратный ток резко возрастет.
2. Как уже отмечалось, высокая концентрация поверхностных состояний вызывает появление поверхностной зоны. В такой зоне возможно протекание дополнительного тока.
3. При большей плотности поверхностного заряда возможно образование в ОПЗ инверсного слоя, перпендикулярного металлургической границе p-n-перехода. Инверсный слой замыкает p-n-переход и образует так называемые каналы проводимости. И в этом случае наблюдается значительное увеличение обратного тока перехода.
Необходимо отметить, что увеличение обратного тока через p-n переход изменяет параметры не только диодов, но и других приборов, содержащих p-n-переходы: транзисторов, тиристоров и т.д.
4. Величина скорости поверхностной рекомбинации оказывает существенное негативное влияние на коэффициент усиления α и коэффициент передачи по току β биполярного транзистора. Рост скорости поверхностной рекомбинации s приводит к уменьшению времени жизни носителей τ в базовой области транзистора.
5. Величина обратного пробивного напряжения также зависит от состояния поверхности кристалла. Если при заряжении поверхностей кристалла, перпендикулярных металлургической границы, возникает обогащение ОПЗ, площадь p-n-перехода уменьшается. Если приложить к такому переходу разность потенциалов, напряженность электрического поля в суженной области перехода окажется выше, чем в объеме кристалла, и возникает вероятность поверхностного пробоя перехода. Переход носителей из объема на поверхностные состояния является одной из причин шумов полупроводниковых приборовна низких частотах.
В заключение необходимо отметить, что состояние поверхности полупроводника обычно оказывает существенное влияние на работу полупроводниковых приборов. Возникновение поверхностных состояний и поверхностного заряда зачастую негативно влияет на параметры последних.
В этой связи необходимы очень тщательная очистка и обработка поверхности полупроводниковых кристаллов в рамках технологического процесса изготовления полупроводниковых приборов.
Контрольные вопросы и задания
1.1. Охарактеризуйте поверхностные состояния.
1.2. Назовите причину возникновения уровней Тамма.
1.3. Охарактеризуйте уровни Шотки.
1.4. Какие состояния находятся на идеальной и реальной поверхностях?
1.5. Какие состояния называют быстрыми и медленными?
1.6. Когда формируются поверхностные зоны?
2.1. Опишите три группы поверхностных уровней.
2.2. Как формируются поверхностный и приповерхностный заряды?
2.3. От чего зависит толщина ОПЗ?
2.4. Что называют дебаевской длиной экранирования? Почему?
2.5. Рассчитайте дебаевскую длину экранирования в кремнии с удельным сопротивлением ρ =20 Ом∙м, Т =300К.
2.6. Как образуется поверхностный потенциальный барьер?
2.7. Нарисуйте зонные диаграммы ОПЗ р-полупроводника при наличии там квазидонорных и квазиакцепторных уровней.
2.8. Выполните задание 2.7 для n-полупроводника.
2.9. Определите толщину инверсного слоя для n-полупроводника с удельным сопротивлением 20 Ом∙м. Т =300К.
3.1 Как возникает поверхностная проводимость?
3.2 Объясните характер поведения функции Δ Gs (Ys) для p-полупроводника.
3.3 Объясните характер поведения функции Δ Gs (Ys) для n-полупроводника.
3.4 Какой смысл имеет экстремум функции Δ Gs (Ys)?
3.5 Найдите Ys min для кремния с удельным сопротивлением 15 Ом∙м Т =300К.
4.1. Опишите механизм эффекта поля.
4.2. Объясните характер поведения графиков Δ G (Uз) в МДП-структуре.
4.3. Как образуется инверсное состояние?
4.4. Как возникает потенциальный барьер в МДП-транзисторе?
4.5. В чем физический смысл отрицательного потенциального барьера?
4.6. Определите Uз min собственного кремния Т =300К.
4.7. Каковы методы и в чем смысл исследования поверхностных состояний в МДП-структуре?
4.8. Найдите плотность заряда на поверхности кремния (Nд =1022 м-3, Т =300К).
4.9. Определите удельную емкость МДП-структуры. Диэлектрик – 0,3 мкм SiO2. Напряжение на затворе 1 В. Полупроводник – p-кремний, акцептор Iп, Na =1,5∙10-21 м-3, Т =300К.
4.10. Назовите основные характеристики полевых транзисторов.
4.11. Как работает полевой транзистор с управляющим переходом?
5.1. Опишите механизм влияния состояния поверхности на работу p-n-перехода.
5.2. Как влияет состояние поверхности на оптоэлектронные приборы (излучатели, приемники)?
5.3. Каковы механизмы влияния состояния поверхности на работу МДП-структуры?
5.4. Какие требования предъявляются к состоянию поверхности полупроводников?
Глава 9
Электронные процессы в тонких пленках и тонкопленочных структурах
 |
Тонкой пленкой называют слой вещества толщиной не более 1 мкм, нанесенный на подложку. Тонкие пленки бывают проводниковыми, диэлектрическими, полупроводниковыми, магнитными и т.д. Структура их может быть монокристаллической, поликристаллической или аморфной.
Наиболее распространенными методами получения тонких пленок и тонкопленочных структур являются вакуумное испарение, ионноплазменное распыление и эпитаксиальное наращивание. Роль тонких пленок для традиционной микроэлектроники трудно переоценить.
В полупроводниковых ИС используют тонкопленочные проводящие дорожки и контактные площадки, изолирующие и защитные диэлектрические пленки.
Гибридные ИС содержат, кроме того, тонкопленочные резисторы и конденсаторные структуры.
Пленочные ИС содержат пленочные структуры – активные элементы: транзисторы, диоды и т.д.
Функциональная микроэлектроника использует структуры металл-диэлектрик – металл, полупроводник-металл – полупроводник и др. В таких структурах некоторые или все компоненты являются тонкопленочными. Акустоэлектроника использует пьезоэлектрические, криоэлектроника – сверхпроводниковые, магнитоэлектроника – ферромагнитные тонкие пленки. В этой главе мы рассмотрим некоторые свойства тонких пленок, а также работу отдельных пленочных структур. Подробнее о способах получения и свойствах тонких пленок можно узнать в [19, 20].
