О влиянии концентрации примесных центров захвата носителей заряда в твердотельных слоистых структурах на их свойства Текст научной статьи по специальности «Физика»

© В.П. Заярный, И.Н. Пономарев, А.А. Фролов, О.А. Астафурова, 2006

УДК 681.3 + 537.8

О ВЛИЯНИИ КОНЦЕНТРАЦИИ ПРИМЕСНЫХ ЦЕНТРОВ ЗАХВАТА НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ СЛОИСТЫХ СТРУКТУРАХ НА ИХ СВОЙСТВА

В.П. Заярный, И.Н. Пономарев, А.А. Фролов, О.А. Астафурова

Выявлена зависимость характеристик зарядовых процессов в слое полупроводника (частотного фактора и порядка кинетики) в составе твердотельных слоистых структур типа «металл -диэлектрик - полупроводник» от концентрации центров захвата заряда на моноэнергетическом уровне в слое полупроводника, обусловленного наличием в нем легирующей примеси различной концентрации. Установлена зависимость потери заряда, обусловленной его захватом на ловушках моноэнергетического уровня, при переносе в приповерхностной области полупроводника от указанных характеристик зарядовых процессов.

Известно [1], что внесение легирующей примеси в слой полупроводника приводит к появлению моноэнергетического уровня с концентрацией ловушек, пропорциональной концентрации внесенной легирующей примеси. В данной статье исследуется влияние концентрации этих ловушек N в приповерхностной области полупроводника структур типа «металл (алюминий) -диэлектрик (диоксид кремния) - полупроводник (кремний)» (слой кремния легирован титаном) на их характеристики, такие как эффективный частотный фактор юэ и порядок кинетики зарядовых процессов m в полупроводнике. Если плотность поверхностных состояний в приповерхностной области полупроводника пренебрежимо мала, то именно эти характеристики определяют потери заряда при его переносе от одной структуры к другой под действием внешнего импульсного электрического поля, приложенного к структурам, расположенным в ряд, так, как это происходит у приборов с зарядовой связью [2]. В процессе переноса заряда происходит его частичный захват на ловушки при наличии электрического поля, прикладываемого к структуре, и его эмиссия из ловушек при снятии поля и перемещении заряда в потенциальную яму следующей структуры. Величина потери заряда в значительной степени обусловливает качество работы микроприборов на основе подобных слоистых структур.

Определение указанных выше характеристик зарядовых процессов в исследовавшихся структурах производилось по пикам термостимулированных токов деполяризации I(T) для исследовавшихся структур. Имеющиеся пики 1(Г), обусловленные наличием моноэнергетического уровня в полупроводнике, с хорошей точностью описываются выражением, полученным из модельных представлений, приведенных в [3]:

1(Т) = ехр[-Е( / кТ - (юе/ Р)ехр(-Е( / к.Т^Т'], (1)

где Г - абсолютная температура;

q - единичный заряд;

ц - подвижность носителей заряда;

Вестник ВолГУ. Серия 1. Вып. 10. 2006

135

Е - средняя напряженность электрического поля в слоистой структуре при

воздействии на нее приложенного напряжения;

Р - скорость нагрева образца;

k - постоянная Больцмана;

Е( - энергия активации моноэнергетического уровня;

S - площадь структуры;

То и Тк - температурные положения начала и конца пика термостимулированного

тока деполяризации;

Т' - параметр интегрирования по ширине пика. Это выражение соответ-

ствует случаю слабого повторного захвата носителей заряда на имеющемся моноэнергетическом уровне в слое полупроводника (при этом т * 1).

Используя выражение (1) и методику определения эффективного частотного фактора [3], были получены его значения для исследовавшихся структур при наличии в кремнии титана различной концентрации. При этом для данного эксперимента имели место следующие значения величин, входящих в (1): Е * 108 В м-1, Р = 0,5 К с-1, S * 10-2 см2, Е( = 0,21 эВ (для титана). Методика определения концентрации ловушек Nt на моноэнергетическом уровне по известной концентрации легирующей примеси приведена в [1].

Полученная нами экспериментальная зависимость юэ от Nt для этого случая приведена на рис. 1. Из рисунка видно, что с увеличением N значения юэ также возрастают. В [3] подобная зависимость была получена численным моделированием, но оказалась нелинейной, вопреки ожидаемой линейной. В нашем случае ее нелинейность находится в пределах статистического значения погрешности измерений. В [3] также приводится выражение, позволяющее установить взаимосвязь между юэ и т:

юе * (Et Р / к Т2т) ехрЕ / кТт) [1 + (т - 1) 2кТт / Е^-1 , (2)

где Тт - температурное положение максимума пика термостимулированного тока деполяризации (для разных значений N оно было разным).

Рис. 1. График зависимости частотного фактора зарядовых процессов в гетероструктуре от концентрации ловушек на моноэнергетическом уровне в слое кремния, легированном титаном

э

Анализ этого выражения применительно к данному случаю показывает, что увеличению юэ соответствует уменьшение т, однако его изменение незначительное (при изменении юе в пределах 2 • 108 с-1 г 9 • 109 с-1, значение т изменялось в пределах 1,21 г 1,15).

В [4] нами уже исследовались потери заряда при его переносе у подобных слоистых структур в составе ПЗС. В данном случае мы не имеем ПЗС на основе исследуемых структур, однако, для них можно построить ожидаемую (теоретическую) зависимость неэффективности (є ) переноса сигнального заряда, определяющей его потери при переносе от времени, за которое производится однократный перенос зарядового пакета (Т) от одной структуры к другой. Для этого используем ранее обоснованное нами в [4] полуэмпирическое выражение:

Тк

єж « п \кТт |/(Т) р ау{Е, СЛУ& ехр[1-1п (1/Т ю)]}, (3)

Т)

где п - число переносов зарядовых пакетов от одной структуры к другой (в данном случае п =1), Су^ - поверхностная плотность сигнального заряда (брались типовое значение напряжения, подаваемого на структуру У' = 10 В и измеренное по высокочастотным С-У характеристикам значение емкости диэлектрика Са~ 70 пФ).

В выражении (3), в отличие от [4], вместо частоты импульсов переноса f взят ее временной аналог (период), поскольку при однократном переносе последовательности импульсов она как таковая не требуется.

Полученные графики зависимостей є (Т) для значений ю соответствующих минимальному и максимальному значениям N согласно рис. 1, приведены на рис. 2. Значения Т выбраны из соображений, что потери заряда на поверхностных состояниях для них пренебрежимо малы, а доминирующее влияние оказывают ловушки на имеющемся моноэнергетическом уровне. Из рис. 2 видно, что с увеличением Т потери заряда при его переносе уменьшаются, что уже обосновано нами в [4] (если условно перейти к частотному аналогу Т то характер этих зависимостей будет такой же, как для аналогичных зависимостей £■ (/), приведенных в [4]). Общий уровень потерь заряда при его переносе для данных слоистых структур выше, чем для структур, исследовавшихся в [4]. Это можно объяснить более высоким уровнем фонового заряда, входящим в подынтегральное выражение (3), и меньшим значением емкости диэлектрика Сй исследовавшихся структур.

Из приведенных в статье результатов видно, что внесение легирующей примеси в приповерхностную область полупроводника слоистых структур, аналогичных исследовавшимся, существенно влияет на характеристики протекающих в них зарядовых процессов, что представляет практический интерес, прежде всего при создании новых микроэлектронных приборов, особенно, если исследуются их высокочастотные свойства (на частотах импульсов переноса заряда f >1 МГц). При увеличении концентрации ловушек на моноэнергетическом уровне, образованном внесенной легирующей примесью в слой полупроводника, происходит увеличение эффективного частотного фактора и уменьшение порядка кинетики процессов. Это должно приводить к увеличению вероятности эмиссии заряда, захваченного на ловушках, уменьшению степени его повторного захвата и, следовательно, к уменьшению потери заряда при переносе у микроприборов, выполненных на основе подобных структур.

Рис. 2. Зависимость неэффективности переноса заряда у приборов с зарядовой связью от времени однократного переноса заряда (1 - юэ = 2 • 108 с-1; 2 - юэ = 9 • 109 с-1, m и 1)

Однако при внесении легирующей примеси в слой полупроводника следует ожидать повышения плотности поверхностных состояний в его запрещенной зоне (из-за деструкции кристаллической структуры), что, как показано в [4], вызывает увеличение потери заряда при его переносе, особенно для значений частот импульсов переноса f < 1 МГц.

Summary

ON INFLUENCE OF THE CHARGE CARRIER TRAPPING CENTER IMPURITY CONCENTRATION IN THE SOLID STATE LAYERED UPON THEIR PROPERTIES

VP. Zayarniy, I.N. Ponomarev, A.A. Frolov, O.A. Astafurova

Dependence of the charge process characteristics in a semicondactor lauer (of frequency factor kinetic order) included in the solid state layered structures of «metal - dielectric - semiconductor» type upon the charge trapping center concentration has been shown up at the semiconductor layer monoenergetic level determined by alloying impurity of different concentration availabl in it. Dependence of the charge loss stimulated by its trapping at the monoenergetic level has been ascertained while transfer whithin the near surface semiconductor field from the charge process characteristics indicated.

Список литературы

1. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: В 2 кн. / Пер. с англ. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Мир, 1984. 456 с.

2. Приборы с зарядовой связью / Пер. с англ.; Под ред. Д.Ф. Барба. М.: Мир, 1982. 240 с.

3. Гороховатский Ю.А., Бордовский Г.А. Термоактивационная токовая спектроскопия высокоомных полупроводников и диэлектриков. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1991. 248 с.

4. Заярный В.П. Исследование частотных свойств твердотельных слоистых структур в составе приборов с зарядовой связью // Письма в ЖТФ. 2002. Т. 28. Вып. 3. С. 29-35.