CC BY
14УДК 621.315.592
М.К. Курбанов, Ш.М. Рамазанов, Б.А. Билалов, Г.К. Сафаралиев, М.А. Исаев
Поверхностно-барьерные структуры на базе твердых растворов карбида кремния
с нитридом алюминия
Дагестанский государственный университет, kurbanov_malik@,mail.ru
В статье представлены результаты измерений высоты потенциального барьера в структурах Me/(SiC)1-x(AlN)x. Установлено, что высота барьера зависит не только от типа металла, от псевдобинарного составатвердого раствора, степени легирования, но и от способа обработки поверхности полупроводника перед металлизацией, определяющего плотность поверхностных состояний.
Ключевые слова: структура Ме/полупроводник, потенциальный барьер, твердый раствор, фото-ток, расчетная модель.
The results ofmeasurements ofthe potential barrier heightin the structures of Me/(SiC)1-x(AlN)xare given in the article. It is established thatthe barrier heightdepends not only onthe type of metalfromthe pseudobinarysolid solution composition,doping level, but alsothe way of proces-singthe semiconductor surfacebefore metallization, which determines the densityof surface states.
Keywords: structureMe/semiconductor,potential barrier, solid solution, the photocurrent, the estimatedmodel.
Введение
Переходы металл - полупроводник с барьером Шоттки, представляющие один из видов гетеропереходов, благодаря почти идеальной вольтамперной характеристике, незначительному накоплению неосновных носителей, превосходных высокочастотных свойств, а также простоте изготовления, нашли широкое применение. Основные характеристики приборов с барьером Шоттки, таких, как выпрямительные диоды Шоттки, детекторы и смесители сигнала на микроволновых частотах, малоинерционные фотодетекторы модулированного света, полевые транзисторы и другие, определяются высотой потенциального барьера Шоттки, плотностью поверхностных состояний, механизмами термоэмиссии, инжекции, диффузии, туннелирования. Высота потенциального барьера jb также определяет предельные рабочие температуры полупроводниковых приборов.
Статья посвящена экспериментальным и теоретическим исследованиямсвойств поверхностно-барьерных структур типа металл/твердый раствор карбида кремния с нитридом алюминия (Ме/^С)1-Х(АВД)Х) в зависимости от типа металла, псевдобинарного состава твердого раствора, концентрации легирующих примесей и плотности поверхностных состояний полупроводника.
Данные исследования продиктованы отсутствием влитературе информации о барьерах Шоттки в системе Ме/^С)1-Х(АВД)Х. Практическая значимость таких исследований обусловлена тем, что применение в приборах с поверхностно-барьерными структурами широкозонного полупроводника (SiC)1-x(AlN)x позволит значительно улучшить их характеристики. К примеру, в полевых транзисторах применение более широкозонного материала в роли подзатворной области значительно уменьшает ток утечки затвора.
Образцы
Поверхностно-барьерные структурысоздавались на эпитаксиальных пленках твердого раствора (SiC^^AlN^-ram проводимости, полученных на подложках 6H-SiC как методом сублимационной эпитаксии [1], так и методом высокочастотного магнетронного распыления [2].
Концентрация донорной примеси (азот) в эпитаксиальных пленках составляла см . Пленки в зависимости от способа получения имели толщину 0,5^50 мкм. Поверхность эпитаксиальных пленок перед металлизацией подвергалась химической полировке в расплаве КОН в течение 5 минут при температуре 7000С. Затем пленки кипятились в дистиллированной водеи промывались в деионизированной воде.
БарьерыШоттки создавались напылением на эпитаксиальные пленки (SiC)i-x(AlN)x металлов: алюминия, хрома, никеля и титана. Алюминий и хром напылялись в вакууме
(10-5ммрт.ст.) методом термического испарения с вольфрамовой спирали, а никель и титан -методом ионно-плазменного магнетронного распыления в среде аргона на постоянном токе. Температура подложек составляла ~ 4500С. Толщина металлических слоев составляла ~ 0,5-2 мкм.
После напыления металлического слоя с целью стабилизации рабочих характеристик проводился кратковременный (10^20с) отжиг полученной структуры в вакууме при 500-800°С в зависимости от поверхностного металла.
Омический контакт к подложке 81С создавался путем термического втирания 1пв поверхность, полученную после грубой шлифовки алмазным порошком.
Качество барьеровШоттки контролировалось по поведению ВАХ, а также по сине-голубому свечению области твердого раствора под выпрямляющим контактом при больших обратных смещениях. Образцы, где наблюдались микроплазмы или неоднородное свечение, для исследований не использовались.
Фотоэлектрические измерения и интерпретация результатов.
Высоту потенциального барьера фв , можно определить несколькими методами, такими, как вольтамперный метод, вольтфарадный метод, фотоэлектрический метод и т.д. В работе для измерения высоты потенциального барьера фв структур Ме/(81С)1-х(ЛВД)х) применен фотоэлектрический метод, т. к. данный метод является прямым и имеет меньшую погрешность [3, с. 455].
Принципиальная схема измерения фототока показана на рисунке 1, а, а энергетическая диаграмма процессов фотовозбуждения - на рисунке 1, б. Поскольку ширина запрещенной зоны Е^С подложки (2,8эВ) меньше твердого раствора (81С)1-х(ЛВД)х(3-5,8эВ), фототок 1ф возбуждался освещением образца светом галогеновой лампы с вольфрамовой нитью со стороны тонкого полупрозрачного металлического слоя (рис.1, а). При таком освещении фоточувствительность приходится только на спектральную область Иу > дфв . При этомв металле возбуждаются электроны с энергией, достаточной для преодоления барьера. При Иу > Е^ ^С)1-Х(АВД)Х освещение может создавать пары электрон-дырка в области объемного заряда эпитаксиальной пленки.
Согласно теории Фаулера [4], в областифв + А" < Иу < Eg (А" - расстояние от уровня
Ферми до дна зоны проводимости в объеме полупроводника) IФ ~ [Иу - (ф в + А" )] .Эта зависимость позволяет идентифицировать механизм фототока и находить ф в , строя зависимость
I" от Ьг. у1ф
Рис.1.а) принципиальная схема фотоэлектрических измерений; б) энергетическая диаграмма границы металл-полупроводник
При Ик<фв свет поглощается металлическим слоем, однако при этом энергии возбужденных электронов недостаточно для преодоления потенциального барьера (рис. 1, б).
На рис. 2 приведены зависимости фототока от энергии фотонов для структур Ме/(81С)0,4(ЛВД)0,б. Экстраполяция линейных участков этих зависимостей на ось энергий дает
значения Ф в 1,78; 1,85; 1,98; 2,16 для структур с металламиА1,Т1,Сг,№соответственно. Как видно, в поверхностно-барьерных структурах на основе (81С)1-Х(АВД)Х имеет место значительная зависимость ф в от природы металла, определяемая в большей степени разностью работы выхода металла и электронного сродства полупроводника.
0,10
0,08-
0,06-
"Й 0,04-1
0,02-
0,00
А1
Сг
/ т,:
/ №
□
1,5 2,0
5,0
".2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 Щ [еУ]
Рис.2. Зависимость фототока структур Ме/(81С)0,4(АШ)0,6 от энергии фотонов
Наблюдаемый на эксперименте слабый фототок при йу<1,75 эВ вероятно обусловлен процессами туннелирования носителей через барьер, который может иметь место в достаточно резких переходах.
Необходимо отметить, что ^структур Ме/(81С)1-Х(АВД)Х значительно зависит от способа обработки и режимов травления пленок (81С)1-Х(АВД)Х перед напылением металла, а также времени и температуры вакуумного отжига, что указывает на существенную рольплотности поверхностных состояний и окисных слоев [5]. Высота барьератакже зависит от состава (81С)1-Х(АВД)Х и растет с увеличением х. Зависимость фв =/(х) имеет такой же характер, как
Е, = ЯХ).
Теоретические расчеты и их обсуждение
Для исследования влияния таких факторов, как плотность поверхностных состояний 06, концентрации легирующей примеси Ы0, псевдобинарный состав эпитаксиальной пленки (81С)1-Х(АВД)Х, а также для сравнительного анализа экспериментальных результатов проведен теоретический расчет высоты потенциального барьера в структурах Ме/п-(81С)1-Х(АВД)Х. Для расчета выбрана модель,обобщающая теорииБардина и Шоттки - Мотта [3]. Согласно данной модели, высота барьера фв описывается следующим выражением:
Фв =
С 2 (Фт - X )+(1 - С 2 )— - Фо -А Ф
ч
+
+ {
С2 С, 3/2
—2-1--С
и2
2
/ Е Л '1 (Фт - X )+(1 - С 2 ) - Ф
V_ +
кТ_
ч
+
4
1/2
гдеч- заряд электрона; х- электронное сродство полупроводника; Ея - ширина запрещенной зоны полупроводника Е, = 3.86 х2 - 0.56 х + 33 ; фо -энергетический уровень на поверхности; Vn -расстояние от дна зоны проводимости до уровня Ферми; Аф - понижение высоты барьера за счет силы изображения:
Аф =
Ч3 ND (ф в о - кТ / ч )"
8р 2£ ,2£ £03
а э 0
, С1 =
2ч£ SND82
2 2 2 С
£1 £ 1 + ч 8 • Ds
где £ s и £ а -относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника на низких и на оптических частотах соответственно; £0 - диэлектрическая проницаемость вакуума; 3- тол-ВЕСТНИК ДАГЕСТАНСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА. 2011 ВЫП. 6. 49
2
2
С
С
С2С1
С
С
2
2
1/4
щина промежуточного слоя между металлом и полупроводником; £. -его относительная диэлектрическая проницаемость; (0 -энергетический уровень на поверхности.
Для хорошо очищенных полупроводниковых поверхностей промежуточный слой имеет атомные размеры, т. е. ¿составляет 4-5А0. В первом приближении диэлектрическую проницаемость такого тонкого слоя можно считать равной диэлектрической проницаемости вакуума.
Расчеты выполнены в среде МаШСАБ.
На рис. 3 представленазависимость рв от О. при энергетическом уровне состояний на поверхности р 0 =0,3 Е , рассчитанная для металлов А1, Т1, Сг, и N1.
Рис.3. Зависимость высоты барьера фВ от плотности поверхностных состояний^. в структурах Ме/(81С)1-х(АШ)х(Ме:А1,Т1,Сг,№),приЛ-Ла = 1017 см-3,х= 0,25; 0,65
Рассчитанные значенияфВ при низкой плотности поверхностных состояний (Я < 1013 см -2 эВ 1) в подавляющем большинстве случаев меньшеэкспериментально определенных значений, что свидетельствует о недостаточности теории Шоттки - Мотта для описания свойств рассматриваемых структур. Поэтому можно предположить, что в реальных структурах величина О. оказывает существенное влияние на высоту барьера.
Однако если О. велико (О. >1014см-2эВ-1), то в этом случае уровень Ферми фиксируется
поверхностными состояниями на энергии, превышающей край валентной зоны на величину (0 .При этом высота барьера р в «(Ея - р0) - Ар не зависит от типа металла (работы выхода) и полностью определяется Ея эпитаксиальной пленки (составом твердого раствора), свойствами поверхности и степенью легирования полупроводника.
На рис. 4 представлена зависимость высоты барьера (в от концентрации некомпенсированной примеси ЛО в эпитаксиальной пленке (81С)0,8(АВД)0,2, рассчитанная для металлов А1, Т1, Сг, Mg. Как видно, при ЛО >1017см-3 высота барьера существенно уменьшается.
Эти результаты соответствуют экспериментальным данным и объясняются тем, что при увеличении степени легирования полупроводника толщина области объемного заряда под металлом уменьшается, и при высоких степенях легирования (ЛО> 1019см-3) подвижные носители заряда легко преодолевают его в обоих направлениях за счет туннельного эффекта. В этом случае электропроводность структуры Ме/(8Ю)1-Х(АШ)Х имеет омический (невы-прямляющий) характер.
Рис.4. Зависимость высоты барьера срв от Л}, в структурах Me/(SiC)i_x(AlN)x(Me:Al,Ti,Cr,Mg. Ds =2Т013 см-2эВ-1)
Заключение
Проведены экспериментальные и теоретические исследованиясвойств поверхностно-барьерных структур Ме/^С)1-Х(АВД)Х в зависимости от типа металла, псевдобинарного состава твердого раствора, концентрации легирующих примесей и плотности поверхностных состояний полупроводника.
Из фотоэлектрических исследований установлено, что имеет место значительная зависимость высоты потенциального барьера от типа металла. Однако, как показывают расчеты, при больших плотностях поверхностных состояний высота барьера перестает зависеть от типа металла и полностью определяется псевдобинарным составом эпитаксиальной пленки (SiC)1-x(AlN)x, свойствами поверхности и степенью легирования полупроводника.
Результатырасчетовкачественно согласуются с экспериментальными данными. Однако имеет место значительное количественное расхождение значений^ при низкой плотности поверхностных состояний (Ds < 1013 см-2 эВ), что свидетельствует о недостаточности предельной теории Шоттки - Мотта для описания свойств рассматриваемых структур.
Работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.
Литература
1. Курбанов М.К., Билалов Б.А., Сафаралиев Г.К., Рамазанов Ш.М.//Неорганические материалы. 2007. Т. 43. Вып.12. - С.1-3.
2.Гусейнов М.К., Курбанов М.К., Билалов Б.А., Сафаралиев Г.К. //ФТП. 2010. Т.44. Вып.6. -С.841-844.
3. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. - М.: Мир, 1984.
4. Fowler R.H. //Phys. Rev.1931. V. 38. - P.45-56.
5. Андреев А.Н. и др. //ФТП. 1995. Т. 29. Вып.10. - С.1833-1843.
Поступила в редакцию2 октября 2011 г.
