CC BY
46
ФИЗИКА ТВЁРДОГО ТЕЛА
УДК 621.382
АДМИТТАНС ДИОДНЫХ СТРУКТУР, ПОЛУЧЕННЫХ НА ОСНОВЕ ТОНКИХ СЛОЕВ КРЕМНИЯ НА САПФИРЕ МЕТОДОМ МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВОЙ ЭПИТАКСИИ
© 2011 г. С.В. Тихое 1, Д.А. Павлов 1, В.Г. Шенгуров 2,
С.А. Денисов 2, В.Ю. Чалкое 2, В.Г. Тестов 1
1 Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского 2 Научно-исследовательский физико-технический институт Нижегородского госуниверситета им. Н.И. Лобачевского
tikhov@phys.unn.ru
Поступила в редакцию 25.06.2011
Изучен адмиттанс диодных структур Аи/^, полученных на основе автолегированных фосфором совершенных тонких слоев (0.5 ^ 2 мкм) методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Установлен профиль распределения концентрации фосфора по толщине слоя. Обнаружен захват электронов на ловушки, и определены параметры центров захвата.
Ключевые слова: адмиттанс, диодные структуры, молекулярно-лучевая эпитаксия, профиль легирования, ловушки.
Введение
Исследование свойств тонких эпитаксиальных слоев кремния (~ 1 мкм) на сапфире (КНС) представляет интерес в связи с возможностью создания на их основе комплементарных нанотранзисторов и фотоприемников, устойчивых к радиационному облучению [1]. В работе [2] был найден режим получения структурно высокосовершенных тонких слоев КНС (0.5 ^ 2 мкм) методом низкотемпературной молекулярно-лучевой эпитаксии. В настоящей работе приводятся результаты исследования адмиттанса диодных структур на основе таких слоев КНС с блокирующим электродом из Аи.
Методика
Методом молекулярно-лучевой эпитаксии были созданы слои КНС толщиной d0 = 0.5 ^2 мкм с использованием разных источников испарения из КЭФ-0.005 (0.01; 0.1) для автолегирования слоев фосфором. Осаждение слоев проводилось в вакууме ~ 10-7 мм рт. ст. на R-срез (11 02) подложки из сапфира при температуре 700°С после термообработки подложки при 1400°С в течение 30 мин. Все слои оказывались и-типа проводимости с ориентацией (100) и при толщинах 0.5 ^ 2 мкм диагностировались
как совершенные монокристаллы (линии Кику-чи в электронограммах на отражение и полуширина кривой качания на половине максимума рентгеновского пика —17%) с зеркально-гладкой поверхностью. В поле зрения атомного силового микроскопа средняя шероховатость поверхности слоя КНС составляла R = 0.7 1.8 нм.
На основе слоев КНС с приведенными выше характеристиками были получены диодные структуры с блокирующим электродом из Аи. Золотые электроды получались методом вакуумного напыления. С помощью фотолитографии изготавливалось кольцевые структуры для измерения вольт-фарадных (СУ) и вольт-сименс-ных ^У) характеристик. Схематическое изображение этих структур (вид сверху) показано на рис.1. Структуры такого типа обычно применяются для контроля СУ-характеристик структур металл - диэлектрик - полупроводник [3] и диодов Шоттки на основе тонких слоев полупроводников на изоляторе для снижения величины последовательного емкости активного сопротивления, которое в этом случае возникает и может занижать значения емкости, особенно на высокой частоте. Устранить эффект занижения можно уменьшением величины площади диода, величины последовательного сопротивления R или частоты f тестирующего емкость сигнала. Необходимым условием правильного
Рис. 1. Схематическое изображение диодной структуры кольцевого типа: 1, 3 - блокирующие контакты из Аи, 2 - слой
Рис. 2. Зависимости С и G/ю от управляющего напряжения. Структура 12-94. f Гц: 1, 4 - 103; 2, 5 - 104; 3, 6 - 105
измерения величины С является выполнение неравенства 1/(2nfC) >> R. Однако при понижении частоты (обычно ниже 1 МГ ц) в образцах с наличием ловушек происходит их перезарядка, что приводит к увеличению емкости и к усложнению интерпретации емкостных измерений
[4]. Уменьшение емкости снижает точность измерений. В связи с этим обычно прибегают к уменьшению R. Это становится возможным при создании маленького кольцевого зазора между двумя планарными блокирующими контактами к слою Si малой (1) и большой (3) площади (рис. 1). Нами использовались структуры с кольцевым зазором в 100 нм и площадью маленького управляющего электрода S ~ 9.6* 104 см2, определяющего значение измеряемой емкости.
На изготовленных таким образом диодных структурах (ДС) были измерены в автоматическом режиме на анализаторе полупроводниковых приборов Agilent В1500А CV- и GV-характеристики с разрешением по напряжению до 10 мВ в интервале частот f= 103 ^ 106 Гц и температур T = 77 ^ 450 К. На слоях КНС также проводились измерения эффекта Холла и проводимости методом Ван-дер-Пау [4].
Результаты и обсуждение
На рис. 2 приведены типичные для диодных структур CV- и GV-характеристики на разных частотах. Анализируются отнесенные к круговой частоте тестирующего сигнала ю характеристики проводимости G в связи с их большей информативностью по сравнению с зависимостями G(V).
Видно, что с понижением частоты измерения на CV- и G/®( ^-кривых появляется максимум (отмечен вертикальной стрелкой), который обычно связывается с влиянием поверхностных
[5] или объемных [6] ловушек. Амплитуда максимума Gm/rn(V) растет с увеличением температуры и уменьшением частоты. На кривых G/m(V) этот максимум слабо выявляется на фоне сквозной проводимости (рис. 2, кривые 4-6 и рис. 3, кривые 2, 4, 6). Максимум практически пропадает при частоте тестирующего сигнала 106 Гц и даже на частоте 103 Гц при понижении температуры до 77 К (рис. 3, кривые 3, 4), что можно связать с отсутствием захвата или эмиссии электронов в этих условиях с участием ловушек. Таким образом, на частоте 106 Гц оказалось возможным использовать CV-кривые ДС для определения профиля легирования фосфором автолегированных слоев КНС, так как глубокие ловушки в этих условиях не успевают следить за тестирующим сигналом и не дают вклада в емкость. А протекание тока через ДС практически делает емкость неравновесной.
Эти кривые анализировались в системе Origin Pro 7 с использованием сглаживания полиномом и графического дифференцирования зависимости С (V) согласно формулам для определения профиля легирования [4]
(1)
d =
C
Nd (d) =
AV
qee0 S‘
(2)
A
C 2(d)
В формулах (1) и (2) N - концентрация доноров, q - заряд электрона, в - относительная ди-
и
2
1
(п/т Ф
V, в
Рис. 3. Зависимости С и G/w от управляющего напряжения V. Структура 12-94. f = 1 кГц. Т, К: 1, 2 - 300; 3, 4 - 77; 5, 6 - 450
Некоторые параметры
Ыф п, см"3
б, нм
Рис. 4. Профили концентрации, определенные на частотах 1 МГц (1-4) и 10 кГц (5) для разных ДС.1 - 11384, 2 - 11-378, 3 - 11-375, 4, 5 -12-94
Таблица
;в КНС и диодных структур
N образца d0, мкм п0, 1016, см-3 дп,.см2/(Вт) ц [7], см2/(Вт) 1016, см-3 ук, в
12-95 1.8 8 330 620 12 (30) 0.70
12-94 0.9 12 350 600 13 (26) 0.70
11-378 0.5 49 160 500 48 (80) 0.70
11-384 0.5 120 200 250 140(300) 1.0
11-369 2.0 60 260 330 50 (150) 0.75
электрическая проницаемость Si, £0 - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, d - расстояние от границы раздела Аи^ вглубь эпитаксиального слоя. Эти формулы справедливы для слоя истощения Шоттки в монополяр-ном полупроводнике п-типа.
На рис. 4 приведены результаты определения профиля легирования в различных образцах. Видно, по большей части, равномерное распределение примеси в объеме слоя (кривые 1-4). Однако наблюдается возрастание концентрации примеси к границе с блокирующим электродом в два - три раза. Такой же характер распределения концентрации равновесных электронов п0 выявлен при послойном стравливании слоев КНС из измерений эффекта Холла. Повышенная концентрация примеси и электронов (п0 = Ыс) на поверхности слоев КНС, возможно, связана с сегрегацией фосфора на поверхность при автолегировании в процессе выращивания эпитаксиального слоя.
В таблице приведены некоторые результаты определения параметров слоев КНС и диодных структур. В частности, приведены усредненные по объему значения концентрации п0 и подвижности электронов цп, которые получены из измерений эффекта Холла и удельной электропроводности (в столбцах 3, 4). Значения п0 определены для значения Холл-фактора ~ 1. Также представлены параметры, полученные из
анализа высокочастотных СК-кривых ДС (колонки 6, 7): значения Ыс1 в объеме и в приповерхностной области, прилегающей к Аи (в скобках), и контактного потенциала V. Значения У; получены методом экстраполяции прямолинейного участка зависимости С2(У) до пересечения с осью напряжений при С2 = 0 [8]. Они оказываются больше или равны значению высоты потенциального барьера Аи/п^, определенного известным методом экстраполяции прямого тока или путем исследования внешнего фотоэффекта из Аи (0.7 В) [7], хотя должны быть меньше примерно на положение уровня Ферми в объеме полупроводника. Это несоответствие можно объяснить неидеальностью исследованного барьера, возможным влиянием объемных ловушек и распределением примеси в приповерхностной области КНС. Однако, несмотря на это, можно сделать заключение о наличии истощенного слоя на поверхности слоя Si с Аи с эффективным значением Ук около 0.6 В.
Столбец 5 таблицы содержит литературные значения цп для монокристаллов Si [7], которые соответствуют приведенной в колонке 6 концентрации доноров. Меньшие значения подвижности в слоях КНС по сравнению с монокристаллами свидетельствуют о рассеянии носителей на заряженных дефектах [9]. В этом случае Холл-фактор близок к 2 и истинные усредненные значения п0 лежат посредине между
С, Ф
Рис. 5. Зависимости С от f для барьера Аи на КНС (12-94). V = 0; Т, К: 1 - 467, 2 - 500; 3 - теоретическая зависимость для моноуровня при 500 К
объемным и поверхностным уровнями легирования, полученными из анализа СК-кривых. Таким образом, можно сделать заключение об удовлетворительном соответствии результатов измерения концентраций методом эффекта Холла и из СК-кривых для исследованных образцов.
Определение параметров ловушечных центров в реальных барьерах Шоттки (к каким относятся исследованные структуры) может быть проведено по частотным зависимостям емкости и проводимости согласно теориям, разработанным для р-п-переходов с объемными ловушками
[6] и структур металл - диэлектрик - полупроводник (МДП) с поверхностными ловушками [5].
На рис. 5 приведены типичные частотные зависимости емкости барьера Аи^ от частоты при V = 0 и при повышенных температурах. Согласно теории, такие зависимости в виде ступеньки могут быть объяснены процессами захвата и эмиссии электронов с участием объемного или поверхностного ловушечного уровня.
В случае моноуровня
С = С,„ +( С0 - а,)/(1+ ю2т2), (3)
где С0, Сж - емкости на низкой и высокой частоте, т - время релаксации ловушечного уровня. Время т в случае захвата на моноэнергетиче-ский уровень ловушки может быть найдено из частотной зависимости емкости в виде ступеньки по формуле т = 1/2/1/2, где /1/2 - частота при значении С = ( С0 - Сда)/2. В случае такого механизма повышение температуры должно приводить к уменьшению величины т за счет увеличения скорости обмена носителями между ловушкой и объемом Si, что подтверждается опытным путем (рис. 5, ср. кривые 1 и 2). Теоретический расчет по формуле (1) и найденному значению т (кривая 3) обнаружил некоторое несоответствие теоретической и экспериментальных кривых (сделано для 500 К), обуслов-
Рис. 6. Зависимости Gm /ю (прямая 1) и тТ2 (прямая 2) от 1/Т для барьера Аи/п^1 (12-94)
ленное, видимо, энергетическим и пространственным размытием ловушки. Глубина залегания уровня ловушки Ех была оценена двумя способами: по энергии активации (прямая Аррениуса) зависимости ^ От /т от 1/Т [10] и по энергии активации зависимости, которая обычно используется в измерениях нестационарной емкостной спектроскопии глубоких уровней (НСГУ). В последнем случае при приложении положительного периода тестирующего напряжения захват электрона на дискретный уровень происходит с постоянной времени тх. согласно [6]
т = [уп (П1 + Я0)]-1 = (еп + уи^0)-1, (4)
где уп - коэффициент захвата на ловушку, п1 = = Лсехр[(Ес - Ех)/ кТ)], П0 = Лсехр[(Е/ - Ес)/ кТ)], N0 - плотность состояний в зоне проводимости Si, Ес - край зоны проводимости Si, Е/п - положение уровня Ферми в Si, Ех - энергия лову-шечного уровня, еп - скорость эмиссии из ловушки. Время эмиссии т при приложении отрицательного тестирующего напряжения равно т = еп'1 = (о„ытп Лс)-|ехр[(Ес - Ех)/кТ] =
= (ОпЬпТ 2)-1ехр [(Ес - Е)], (5)
где оп - сечение захвата на ловушку электрона,
иТп - тепловая скорость электрона, для Si Ьп =
21 2 1 "2
= 6.6-10 см с К' . При выполнении условия п0 >> п1 (выполняется для относительно глубоких ловушек) захват происходит значительно быстрее, чем выброс, и в целом время релаксации будет определяться более медленным временем эмиссии. В этом случае из формулы (5) получаем
1п(тТ2) = - 1п (ОпЬп) + (Ес - Е,)/кТ . (6)
На рис. 6 показаны экспериментальные зависимости, построенные по первому (кривая 1) и второму методу (кривая 2) при температурах выше комнатной. Видно, что они спрямляются в координатах Аррениуса. Из прямой 1 получено значение Ех ~ 0.21 эВ, а из прямой 2 - ~ 0.26 эВ. Небольшое расхождение между этими зна-
чениями может быть обусловлено низкой точностью первого метода из-за влияния сквозной утечки.
Так как прямая 2 получена при V =0, энергия активации поверхностной эмиссии должна быть близка к положению равновесного уровня Ферми на поверхности Аи^ (около 0.7 эВ для образца 12-94). Полученные значительно более низкие значения свидетельствуют о перезарядке объемных ловушек, локализованных в приповерхностной области пространственного заряда
Концентрационный профиль заряда электронов п [11], эмитированных с ловушечных уровней, определенный по выражениям (1) и (2) на частоте 10 кГц, показан на рис. 4 (кривая 5). Видно пространственное распределение с максимумом. Сечение захвата ловушек, определенное по (6), оказалось ~ 5^10-2°см2 и соответствует центрам с отталкивающим кулоновским барьером. Близкий по энергии обнаруженному в слоях КНС глубокий уровень с (Ес - 0.23) эВ хорошо известен в монокристаллах кремния и принадлежит дивакансии Si V2- ^ V2-- [12].
Заключение
Показано, что исследование адмиттанса в кольцевых диодных структурах с Аи на основе тонких структурно совершенных слоев КНС (0.5 ^ 2 мкм), полученных низкотемпературным методом молекулярно-лучевой эпитаксии, позволяет определять профиль легирующей примеси и параметры ловушек по толщине слоя Установлено возрастание примеси фосфора при автолегировании на поверхности которое объясняется явлением сегрегации в процессе
роста слоев Определены распределение по координате, тип и параметры центров захвата для электронов, являющихся, по-видимому, дивакансиями
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Рособразования РНП 2.1.1.36/26.
Список литературы
1. Папков В.С., Цыбульников М.В. Эпитаксиальные кремниевые слои на диэлектрических подложках и приборы на их основе. М.: Энергия, 1979. 88 с.
2. Денисов С.А., Шенгуров В.Г., Светлов С.П. и др. // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. 2009. № 2. С. 49-54.
3. Локшин М.М., Лысенко В.С. и др. // УФЖ. 1984. №4. С. 738-742.
4. Павлов Л.П. Методы измерения параметров полупроводниковых материалов. М.: Высшая школа, 1987.
5. Овсюк В.Н. Электронные процессы в полупроводниках с областями пространственного заряда. Новосибирск: Наука. Сибирское отделение, 1984. 253 с.
6. Берман Л.С., Лебедев А.А. Емкостная спектроскопия глубоких центров в полупроводниках. Ленинград: Наука, Ленинградское отделение, 1981. 174 с.
7. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. М.: Мир, 1984. 525 с.
8. Родерик Э.К. Контакты металл-полупроводник. М.: Радио и связь, 1982. 207 с.
9. Электрофизические характеристики гетероэпи-таксиальных пленок кремния на сапфире и шпинели // Обзоры по электронной технике. Серия 6 «Материалы». 1980. Выпуск 2(705). С. 2-38.
10. Гаман В.И., Дробот П.Н., Дученко М.О. и др. // Поверхность. 1996. №11. С. 64-73.
11. Зубков В.И. // Приложение к журн. «Вестник РГРТУ». Рязань. 2009. №4.
12. Емцев В.В., Машовец Т.В. Примеси и точечные дефекты в полупроводниках. М.: Наука, 1981. 170 с.
ADMITTANCE OF THIN FILM SILICON-ON-SAPPHIRE DIODE STRUCTURES GROWN
BY MOLECULAR-BEAM EPITAXY
S. V. Tikhov, D.A. Pavlov, V. G. Shengurov, S.A. Denisov, V. Yu. Chalkov, V. G. Testov
The admittance of Au/Si diode structures based on ultra-thin n-Si (0.5-2 ^m) layers auto-doped with phosphorus and grown by molecular-beam epitaxy has been studied. The phosphorus concentration depth profile in silicon layer has been obtained. Electron trapping has been found to occur and the parameters of capture centres have been determined.
Keywords: admittance, diode structures, molecular-beam epitaxy, doping profile, traps.
