CC BY
31
В.П. Заярный, Р.Н. Романов, К.О. Смирнов, 2005
УДК 537.8 + 621.38
ВЛИЯНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЗАРЯДОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ СЛОИСТЫХ СТРУКТУРАХ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПЕРЕНОСА ЗАРЯДА У ПРИБОРОВ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ
В.П. Заярный, Р.Н. Романов, К.О. Смирнов
Описаны усовершенствованные методики определения характеристик (частотного фактора и порядка кинетики) твердотельных структур, содержащих слои диэлектрика и полупроводника. Для структур типа «металл — поликремний — диэлектрик — полупроводник», имеющих зарядовую связь, установлена зависимость потери сигнального заряда при его переносе в приповерхностной области полупроводника от указанных характеристик.
Развитие микроэлектронных приборов в современных условиях по-прежнему требует решения проблем, обусловленных наличием примесей вблизи границ раздела твердотельных слоев подобных структур, наличием разрешенных состояний в их запрещенных зонах и моноэнергети-ческих уровней в слоях диэлектрика и полупроводника, определяющих порядок кинетики и частотный фактор происходящих на них зарядовых процессов. В [1] показано, что наличие примеси в слое полупроводника подобных структур приводит как к появлению поверхностных состояний (ПС) в его запрещенной зоне вблизи границы раздела «диэлектрик — полупроводник», так и к формированию моноэнергетических уровней (МУ), что должно увеличивать неэффективность переноса сигнального заряда у ПЗС (то есть его потери).
В данном случае исследовались приборы с зарядовой связью (ПЗС) на основе твердотельных структур типа «металл (А1) — поликремний (БГ) — диэлектрик (8Ю2) — полупроводник (Бі)», которые представляют собой их периодическую последовательность, на которую подаются сдвинутые по фазе импульсы переноса зарядовых пакетов [2]. Основной характеристикой их работы, определяющей потери сигнального заряда при его переносе, является неэффективность переноса зарядовых пакетов, величина, обратная эффективности. В данной статье устанавливается влияние указанных характеристик слоистых структур на неэффективность переноса сигнального заряда у ПЗС.
Кинетика зарядовых процессов в приповерхностной области полупроводника (Бі) рассматриваемых слоистых структур, являющейся зоной перемещения сигнальных зарядовых пакетов ПЗС, в значительной степени будет определяться наличием ПС и МУ в запрещенной зоне полупроводника. При исследовании частотных свойств в [3] было показано, что у подобных структур влияние ПС и МУ на потери сигнального заряда на разных частотах импульсов (/п) переноса разное. В данном случае будет рассмотрено влияние зарядовых процессов, происходящих на МУ, на его потери при переносе у ПЗС. Эти процессы доминируют в области более высоких частот импульсов переноса заряда (когда/п > 1 МГц).
В [4] показано, что при исследовании диэлектриков и полупроводников методами термостимулированных токов деполяризации (ТСТД), когда токи измеряются в виде пиков (рис. 1), эти пики можно описать одним из следующих выражений, несущих информацию о частотном факторе и порядке кинетики зарядовых процессов на МУ:
т
©
/(7)= -(qm3r2/2L) (1 -r/L) ию exp[-EJkT- I (ш,/р) exp(-E,/kT)dTJ
(1)
Ъ
в случае кинетики первого порядка (т = 1, см. рис. 1),
Т
7(7)= -/о(тАХГо)) ехр(-£Д7) [1+
ъ
в случае кинетики второго порядка (т = 2),
/(7)М<72цЛГсМ,У)/(2ееоШ,) (1 -г/Ь) ехр(-£Д7) [Л'(7)]/[1-Л’(7)]2 > (3)
т
где А{Т)=пя1(п®+М1) ехр[- РЛУ ехр(-Е,/кТ)йТ],
г£. . .
в случае промежуточной кинетики.
Здесь 9 — единичный заряд;
к — постоянная Больцмана;
Т — абсолютная температура;
— плотность поверхностных состояний в запрещенной зоне полупроводника; г и I — толщины области локализации объемного заряда и образца;
пю — начальная концентрация носителей заряда, локализованного на ловушках;
Р — скорость нагрева образца;
Е' — энергия активации моноэнергетического уровня;
/0 — начальное значение термостимулированного тока;
хр т( — время пролета и захвата свободных носителей заряда на ловушки;
Ти Т0 — текущая и начальная температуры;
е и в0 — диэлектрическая проницаемость и электрическая постоянная;
N. — эффективная плотность состояний в разрешенной зоне;
М1 — концентрация глубоких ловушек, не опустошающихся при нагревании;
о)(и<оэ — частотный фактор опустошения ловушек и эффективный частотный фактор,
соответственно.
Рис. 1. Спады пиков ТСТД для различных значений порядка кинетики процессов на МУ:
1 — для т— 1; 2 — промежуточный случай; 3 — для т = 2
В случае когда зарядовые процессы в слоистых структурах описываются выражением (1), имеет место слабый перезахват носителей заряда, для которого справедливо соотношение юэ = ю(.
Г(ю,х,)/(Рт/Г0)) ехр(-Е,1кТ)йТ] 2 ^
148
В. П. Заярный, Р.Н. Романов, К. О. Смирнов. Влияние характеристик зарядовых процессов
Если зарядовые процессы в слоистых структурах описываются выражением (2), то в этом случае имеет место сильный перезахват носителей заряда, для которого соэ= ю(т/тг (т. — время рекомбинации носителей заряда).
По идентификации спада измеренного пика ТСТД с моделями, представленными выражениями (1)—(3), определим порядок кинетики процессов т. Для адекватного использования данных моделей при исследовании свойств слоистых структур необходимо также иметь достоверную информацию о плотности разрешенных состояний в запрещенной зоне полупроводника исследовавшихся слоистых структур (Лу, которая в нашем случае была определена методами емкостной спектроскопии и для исследовавшихся структур имела значение 5 • 10ю эВ'1 см-2. Эксперименты проводились с применением термоочистки пиков термостимулированного тока от фонового заряда, включая заряд, захваченный на ПС.
В [4] также приводится соотношение, позволяющее определить энергию активации моно-энергетического уровня Е и эффективный частотный фактор соэ:
т(7)=соэ~1 ехр(ЯД7) ,
где т(7) определяется для нескольких точек пика термоетимулированного тока т(7’’) (рис. 1) по соотношению:
00
х(Т)= |/(7)с/Г/р 1(Т)
І
В координатах (1/кТ; 1пт) зависимость времени релаксации носителей заряда т от температуры Т представляет собой прямую (рис. 2), по которой определяется энергия активации моноэнергетическо-го уровня (Е= 1§а) и частотный фактор соэ (по пересечению построенной прямой с осью ординат).
Рис. 2. Прямая в координатах (1 /кТ\ 1пт) для определения характеристик центров захвата носителей заряда на МУ
Полученная опытным путем зависимость неэффективности переноса зарядовых пакетов от эффективного частотного фактора £и(соэ) для различных значений т при постоянном значении частоты импульсов переноса (/'п= 10 МГц) приведена на рисунке 3 (значения єя определялись методом одиночного импульса [2]). Характер зависимостей в данном случае такой же, как у аналогичных зависимостей, приведенных в [3].
В результате анализа полученных результатов исследования было установлено полуэмпири-ческое выражение, определяющее влияние частотного фактора, порядка кинетики и частоты импульсов переноса зарядовых пакетов на потери заряда при его переносе:
є„ Щт-1) 2кТт / Е,\ / [кТт2 / Е,] соэ ■
Рис.З. Зависимость неэффективности переноса зарядовых пакетов у приборов с зарядовой связью от частотного фактора для различных значений порядка кинетики
Из графиков также видно, что с увеличением порядка кинетики наклон прямой резко уменьшается (для т я 2 он менее явно выражен, чем для т » 1,5 в [3]), что объясняется более сильным перезахватом носителей заряда в процессе его переноса. При наличии слабого перезах-вата носителей заряда (когда т » 1), зависимость ец(тэ) изменяется существенно (она такая же, как в [3]). Следовательно, для уменьшения неэффективности переноса зарядовых пакетов необходимо, по возможности, увеличивать частотный фактор и уменьшать порядок кинетики зарядовых процессов на имеющихся центрах захвата носителей заряда на МУ.
Summary
THE INFLUENCE OF CHARGE PROCESSES CHARACTERISTICS IN THE SOLID-BODY LAYER STRUCTURES ON EFFICIENCY OF THE CHARGE TRANSFER IN DEVICES WITH THE CHARGE LINK
VP. Zayamiy, R.N. Romanov, K.O. Smimov
The modified methods for determining the solid-body structure characteristics (the frequency factor and the order of kinetics) containing the dielectric and semiconductor layers have been described. There has been established the dependence of the signal charge loss while its transfer from the characteristics mentioned in the semiconductor near-surface range for the structures of the «metal-polysilicon-dielectric-semiconductor» type possessing the charge link.
Список литературы
1. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: В 2 кн.: Пер. с англ. 2-е изд. перераб. и доп. М.: Мир, 1984.
2. Приборы с зарядовой связью: Пер. с англ. / Под ред. Д.Ф. Барба. М.: Мир, 1982. 240 с., ил.
3. Заярный В.П. Исследование зарядовых и частотных свойств твердотельных гетерогенных структур с зарядовой связью // Изв. вузов. Радиофизика. 2002. Т. 45. Вып. 5.
С. 427-432.
4. Гороховатский Ю.А., Бордовский Г.А. Термоактивационная токовая спектроскопия высокоомных полупроводников и диэлектриков. М.: Наука: Гл. ред. физ.-мат. лит., 1991. 248 с.
150
В.П. Заярный, Р.Н. Романов, К. О. Смирнов. Влияние характеристик зарядовых процессов
