CC BY
11MATEMATYKA- FIZYKA | ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ
УПРАВЛЯЕМЫЙ КОНДЕНСАТОР НА ОСНОВЕ СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛ-СТЕКЛО-ПОЛУПРОВОДНИК
Власов Сергей Игоревич
доктор физико-математических наук, профессор Национального Университета Узбекистана
Кучкаров Бекзод Хошимович ассистент Наманганского Государственного Университета
VOLTAGE-CONTROLLED CAPACITOR ON THE BASIS OF THE STRUCTURES METAL-GLASS SEMICONDUCTOR
Vlasov Sergey Igorevich, doctor of physico-mathematical Sciences, Professor National University of Uzbekistan
Kuchkarov Bekzod Hoshimovich, assistant Professor of Namangan State University
АННОТАЦИЯ
Разработан варикап, на основе структуры металл- свинцово-боросиликатное стекло- кристаллический кремний. Для улучшения рабочих характеристик варикапа структуры металл- стекло-полупроводник подвергались всестороннему гидростатическому сжатию до давлений 8 кБар.
ABSTRACT
А voltage variable capacitor, based on the structure metal - lead-borosilicate glass - crystal silicon. To improve the performance of the varicap of the structures metal - glass semiconductor was subjected to a comprehensive hydrostatic compression up to pressures of 8 kBar.
Ключевые слова: структуры металл-стекло-полупроводник, управляемый напряжением конденсатор, поверхностные состояния, всесторонние сжатие, скорость поверхностной генерации.
Keywords: structures metal-glass semiconductor, voltage controlled capacitor, surface states , full hydrostatics compression, the speed of surface generation.
Электрические конденсаторы с ёмкостью, управляемой прикладываемым напряжением - варикапы, используются практически во всех электронных схемах и изделиях электронной техники [1,2]. Не смотря на широкое многообразие существующих конструкций варикапов изготовленных на основе диодов Шоттки, на основе р-п переходов и на основе структур металл-диэлектрик - полупроводник, каждому из них присущи различные недостатки и ограничения. Наиболее перспективными являются варикапы, изготовленные на основе структур металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) [3, 50-55]. Недостатки известных конструкций МДП варикапов состоят в низкой временной стабильности состояния с минимальным значением емкости, обусловленной большими диэлектрическими потерями, в объеме под затворного диэлектрика и перезарядкой поверхностных электронных состояний локализованных на границе раздела диэлектрик-полупроводник [4, 10711077; 5]. Одним из способов избежать, указанных выше недостатков, является применение в качестве диэлектрика МДП варикапов многокомпонентных легкоплавких стекол. В работах [6,750-754; 7,466-470] приводятся результаты исследования некоторых электрофизических свойств переходных слоев 81 - свинцово - боро- силикатных стекол, там же показана перспективность использования указанных стекол в микроэлектронике. В работах [8, 17-22; 9, 1345-1348.], на основе анализа влияния у - облучения на границы раздела 81-8Ю2 и 81- свинцово-боросиликатное стекло, показано, что граница раздела 81- свинцово-боро-
силикатное стекло обладает меньшей чувствительностью к воздействию облучения. Подробный анализ влияния процентного содержания входящих в стекло компонент на электрофизические характеристики стекол выполнен в работах [10,201-205;11] а в работе [12,156-159] установлена зависимость между содержанием в составе легкоплавких стекол ионов щелочных металлов и величиной поверхностного заряда. В работе [13,608-610] показано, что значение плотности поверхностных состояний на границе раздела 81 - стекло меньше, чем для аналогичной границы раздела 81 - 81О2 , получаемой термическим окислением. Легкоплавкие стекла, нанесенные на поверхность полупроводника при пониженных температурах, уменьшают вероятность образования термических дефектов и снижают механические напряжения границы раздела.
Из приведенного обзора видно, что легкоплавкие свин-цово-боросиликатные стекла являются перспективным материалом для использования в качестве диэлектрика варикапов на основе структур металл-стекло-полупроводник. Основными параметрами диэлектрических слоев на основе свинцово-боросиликатных стекол, оказывающими влияние на характеристики полупроводниковых приборов, является наличие в их объеме фиксированного и подвижного зарядов, наличие зарядов на границе раздела полупроводник-диэлектрик, а также концентрация лову-шечных центров в диэлектрике, способных обмениваться носителями заряда с объемом полупроводника.
С Со
1Д
FOuRtp ■ Я* ■г ад
1' aap О.й
1- ... Ш*
(И
■ ¡¡I ■ 1 OJ
-is -» -u io -i о i и,в
Рис. 1. Вольт-фарадные характеристики (нормализованные к величине емкости слоя стекла) одного из изготовленных
варикапов.
В работах [14,231-233; 15,115-117] установлено, что воздействие всестороннего гидростатического сжатия на структуры металл-стекло-полупроводник, изготовленных на основе стекол типа РЬО -8Ю2 - В203 -А123 - Та205, приводит к уменьшению подвижного заряда, встроенного в структуру стекла и к улучшению его диэлектрических характеристик. Для изготовления варикапа, использовалось свинцово-боросиликатное стекло типа РЬО -8Ю2 - В203 -А1203 - Та205 (РЬО- 47%, 8102-34%, В203 -15%, А1203 -3% Та205 -1%) , нанесенное на поверхность пластин кремния (КЭФ-5 с кристаллографической ориентацией <111>) из мелкодисперсной шихты, с последующим оплавлением (Т = 680 °С) и отжигом (Т = 470 °С) [6,750-754]. Толщина слоя стекла составляла 2000-2500 ангстрем.
Выбор стекла обусловлен широким его использованием при герметизации сильноточных полупроводниковых приборов. Выбор процентного содержания компонентов стекла обусловлен минизацией величины плотности поверхностных состояний, локализованных на границе раз-
дела 81 -стекло.
Омические контакты наносились при помощи вакуумного осаждения алюминия. Изготовленные структуры подвергались всестороннему сжатию до давлений 8 кБар. На рисунке 1 приведены высокочастотные (измеренные на частоте 1мГц) вольт-фарадные зависимости (нормализованные к величине емкости слоя стекла) одного из изготовленных варикапов, до приложения давления (зависимость 1) и подвергнутых давлению в 3 кБар с выдержкой 10 минут (зависимость 2). Из приведенных зависимостей видно, что после воздействия давления, характеристика сдвигается в правую сторону. Такое поведение вольт-фа-радных характеристик указывает на уменьшение встроенного положительного заряда, локализованного на границе раздела полупроводник-стекло, что, в свою очередь приводит к уменьшению величины напряжения соответствующего формированию инверсионной полочки на вольт-фарадной характеристики варикапа.
Т = 10 °с Vi V2 = 20 Б
Рис.2. Релаксационные зависимости емкости, одного из изготовленных варикапов.
На рисунке 2 приведены характерные релаксационные зависимости емкости, одного из изготовленных варикапов, снятые в темноте при температуре 10 °С, после переключения инверсионных напряжений от 12 до 20 В. Зависимость 1 - соответствует контрольной (не подвергнутой воздействию давления) структуре. Зависимости - 2,3,4 соответствуют структурам подвергнутым воздействию всестороннего гидростатического давления 2,4 и 8 кБар соответственно. Из приведенных зависимостей видно, что с увеличением величины давления емкость структуры быстрее релаксирует к своему равновесному состоя-
нию. В соответствии с обще принятыми положениями, это указывает на увеличение скорости формирования заряда инверсионного слоя и, следовательно, к повышению быстродействия варикапа при импульсных изменениях прикладываемого напряжения.
Скорость формирования заряда инверсионного заряда определяется концентрацией генерационных центров, находящихся в объеме полупроводника, так и плотностью состояний, локализованных на границе раздела полупроводник-диэлектрик [16, 121-123].
Для определения влияния генерационных центров, ло-
кализованных в полупроводнике, с его поверхности химическим способом удалялся слой стекла и при помощи вакуумного распыления Аи формировался барьер Шоттки. Далее при помощи метода изотермической релаксации емкости определялась концентрация и энергетический спектр глубоких центров. Установлено, что во всех барьерах Шоттки изготовленных на основе структур, подвергнутых и не подвергнутых воздействию давления, наблюдается перезарядка центра с энергией ионизации Ес-0,4 0,03эВ с концентрацией № =3.1012 см-3. Более того при
увеличении величины давления, концентрация выявленного центра изменяется не значительно.
Следовательно, наблюдаемые изменения параметров варикапа обусловлены уменьшением плотности состояний, локализованных на границе раздела полупроводник -стекло. На рисунке 3 приведены частотные характеристики изготовленного варикапа, измеренные в темноте при температуре 21°С , подвергнутого воздействию давления в 4 кБар.
-30 -23 -М -11 10 -5 0 5 TJ, с
Рис. 3. Частотные характеристики изготовленного варикапа.
На основании приведенных данных можно сделать следующие выводы. Всестороннее гидростатическое сжатие, до давления в 8 кБар, вызывают перестройку дефектной структуры межфазной границы раздела Si- стекло и изменение пространственного и энергетического распределения поверхностных дефектов. Происходящие при этом изменения электрофизических параметров границы раздела в ряде случаев приводят к улучшению параметров структур металл - стекло - кристаллический кремний и к улучшению характеристик варикапов, изготовленных на основе таких структур.
Ссылки.
[1]. В.А. Гуртов. 2004 . Твердотельная электроника. Петрозаводск. 312 .
[2]. В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев. 2004. Электроника и микропроцессорная техника. Москва. Высшая школа. 788 .
[3]. В.А. Рожков, А.Ю. Трусова. 1997. Кремниевые металл- диэлектрик-полупроводник-варикапы с диэлектриком из оксида иттербия. Письма в ЖТФ. 23 (12): 50-55.
[4]. М.Б. Шалимова, Н.В. Сачук. 2015. Деградация электрофизических характеристик МОП структур с оксидами эрбия, гадолиния, диспрозия под действием электрического поля. Физика и техника полупроводников. 49(8): 1071-1077.
[5]. П.А. Иванов, А.С. Потапов, А.Е. Николаев, В.В. Лундин, А.В. Сахаров,
А.Ф. Цацульников , А.В. Афанасьев, А.А. Романов, Е.В. Осачев. 2015. Вольт-фарадные характеристики МДП структур (Al/Ti)/Al2O3/n-GaN.
Физика и техника полупроводников. 49 (8): 1061-1064.
[6]. П.Б. Парчинский, С.И. Власов, УТ. Тургунов 2002. Свойства пассивирующих покрытий на основе свин-цово-боро- силикатных стекол. Неорганические материалы. 38(6): 750-754.
[7]. П.Б. Парчинский, С.И. Власов. 2001. Генерация не
основных носителей заряда на границе раздела кремний-свинцово-боро-силикатное стекло. Микроэлектроника. 30 (6): 466-470.
[8]. П.Б. Парчинский. 2002. Влияние - облучения на характеристики пассивирующих покрытий на основе свинцово-боро-силикатных стекол. Письма в ЖТФ. 28 (22): 17-22.
[9]. П.Б. Парчинский, С.И. Власов, А.А. Насиров. 2004. Влияние облучения на характеристики границы раздела кремний- свинцово-боро-силикатное стекло. Физика и техника полупроводников. 38 (11):1345-1348.
[10]. M. Shimbo, S. Tai, K. Transava. 1988. Physical and electrical properties of acid resisteum zinc - lead - borosilicate passivation glass. J. Ceram. Soc. 96 (2): 201 - 205.
[11]. M. Kiyoshi, I. Kazuro, A. Kazumichi. 1976. An investigation of Surface Effect on Gkss - Passivated p - n Junctions . NEC Research and Development. 2:1- 11.
[12]. M. Shimbo, K. Farukawa, K. Tanzava, K. Fukada. 1987. Surface charge studies on lead - borosilicate glass contain trace sodium. J. Elektrochem. Soc. 134 (1): 156 - 159.
[13]. С.И. Власов, П.Б Парчинский, Б.А. Олматов. 2000. Плотность поверхностных состояний на границе раздела кремний - свинцово - боро-силикатное стекло. Неорганические материалы. 36 (5): 608-610.
[14]. S.I. Vlasov, D.E. Nazyrov, B. Kh. Kuchkarov, Q.U. Bobokhujayev. 2014. Influence of all-round compression on formation of the mobile charge in lead-borosilicate glass structure. Uzbek Journal of Physics. 16 (3): 231-233.
[15]. С.И. Власов, Ф.А. Сапаров. 2011. Влияние давления на электрические характеристики пассивирующих покрытий на основе свинцово-боро-силикатных стекол. Электронная обработка материалов. 47 (4): 116 -117.
[16]. С.И. Власов, П.Б. Парчинский, Л.Г. Лигай. 2003. Температурная зависимость скорости генерации носителей заряда в свинцово-боро-силикатных стеклах. Микроэлектроника. 32(2): 121-123.
