CC BY
11УДК 537.22
Р.А. Алиев1, Г.М. Гаджиев1'3, М.М. Гаджиалиев1, А.М. Исмаилов1'2, З.Ш. Пирмагомедов1
Влияние зарядовых состояний окисла на вольт-фарадные характеристики
МДП структуры Cu-SiO2-p-InSb
1Институт физики им. Х.И. Амирханова ДНЦ РАН; Россия, 367003, г. Махачкала, ул. М. Ярагского, 94;
2 Дагестанский государственный университет; Россия, 367001, г. Махачкала, ул. М. Гаджиева, 43 а;[email protected];
3 Дагестанский государственный институт народного хозяйства; Россия, 367008, г. Махачкала, ул. Атаева, 5
Методами магнетронного распыления изготовлены МДП-структуры на основе InSb. Уменьшение энергии распыленных частиц, попадающих на ростовую поверхность,достигнуто распылением мишени из кремния в газовой смеси Аг:О2 =1:1 (по потоку) при максимально высоком давлении горения магнетронного разряда (0,3 ммрт.ст.).Реализация режима термализа-ции распыляемого вещества осуществлена подбором расстояния мишень-подложка, равного 5 см, и температуры подложки Т ~ 2000С. Измерены вольт-фарадные характеристики и проводимость МДП-структур на основе InSb при разных частотах измерительного моста. Обсуждается влияние положительного, встроенного в диэлектрик зарядана измеренные характеристики образца, которое проявляется в виде резкого «переключения» емкости при смене полярности слабополевого внешнего воздействия (Е< 106 В/см).
Ключевые слова: вольт-фарадная характеристика, МДП-структуры, оксид кремния, ан-тимонид индия, заряд окисла, сквозная проводимость, напряжение смещения, магнетронное распыление.
Введение
Наиболее подходящим полупроводниковым материалом для изготовления МДП-фотоприемных устройств, работающихвобласти спектра 2^5 мкм,является антимонид индия [1]. Недостатком этих устройствявляется необходимость охлаждения до температуры жидкого азота для нормального режима работы [2]. Стабильность и надежность длительно функционирующих МДП-приборов зависит от таких важных характеристик, как заряд окисла, плотность поверхностных состояний [3-5]. Эти характеристики в свою очередь очень сильно зависят от природы диэлектрика и технологических приемов его нанесения на полупроводник при изготовлении МДП-структур [6-10].
Самым простым и прямым методом определения качества МДП-элементов является исследование их вольт-фарадных характеристик (ВФХ). На вид ВФХ МДП-структур на основе InSb существенное влияние оказывает встроенный в диэлектрик (на стадии его технологического роста) заряд и его изменение в процессе внешнеполевого воздействия на структуру [11]. Причем этого вида могут отличаться друг от друга образцы даже одной технологической серии, что в большинстве случаев обусловлено качеством поверхности полупроводника. Поэтому выявление физических механизмов накопления заряда в диэлектрике МДП-устройств под действием внешнего электрического поля все еще остается важной задачей физики поверхности полупроводников.
Эксперимент
При изготовлении МДП-структуры на основе InSb в качестве подзатворного ди-электрикаиспользовали SiO2. Нанесение слоя SiO2на поверхность полупроводника осуществлялось методом магнетронного распыления. В качестве образцов InSbp-типа использовались прямоугольные пластинки с размерами 6*4*1,5 мм , изготовленные из монокристаллической бульбы (р=10 см- ) с помощью операций резки, шлифовки, полировки (механическая, финишная химическая). Для напыления диэлектрика (3*4 мм2)и затвора (1,8*2,5 мм2) использовалимаскииз листа нержавеющей стали (мар-ки№ 8Mirror- суперзеркало), вырезанные методом лазерной резки. В работе использовались мишени: кремний (для осаждения диэлектрической пленки), медь (для напыления затвора), хром (для напыления тонкого буферного слоя между диэлектриком и медной пленкой с целью обеспечения высокой адгезии меди). Очистку поверхности образцов InSbот собственных окислов проводили бомбардировкой ионами аргона (ионный источник с замкнутым дрейфом электронов) непосредственно перед осаждением диоксида кремнияв течение 10 мин. Для уменьшения энергии распыленных частиц, попадающих на ростовую поверхность,процесс распыления мишени из кремния в газовой смеси Ar:02=1:1 (по потоку) проводился при максимально высоком давлении горения магнетронного разряда (0,3 ммрт.ст.), т. е. был подобран режим термализации распыляемого вещества. Расстояние мишень-подложка составляло 5 см, температура подложки
Т ~ 2000С.Условия нанесения затвора были одинаковыми для всех образцов. После нанесения диэлектрика меняли маску и наносили тонкий слой хрома в течение 2 минут. Затем поверх тонкого слоя хрома напыляли медную пленку толщиной 1 мкм. Для подключения образца к измерительной ячейке к тыльнойстороне образца и на затвор припаивалась тонкая меднаяпроволока припоем из индия. Схематически разрез подготовленного таким образомобразца показан на рисунке 1.
Зарядовые свойства МДП-структурCu-SiO2-p-InSb изучались путем анализа их вольт-фарадных (С-К) характеристик.Измерения проводились на LCR-измерителе АМ-3001 (АКТАКОМ). Напряжение смещения на структуру подавалось от источника питания АТН-3331с шагом 0.1 В и контролировалось вольтметром В7-78/1. Перед каждым измерением структуры выдерживались под напряжением в течение 1 мин. Все измерения выполнены в темноте при температуре80 К.
С
р - InSb
Рис. 1. Схематическое изображение приготовленной МДП-структуры
Результатыи их обсуждение
На рисунке 2 представлены результаты измерения емкости (кривые 1) и проводимости (кривые 2) образца при изменениях напряжения от положительных значений к отрицательным и обратно. Измерения выполнены на частоте 1 кГц (рис. 2а), 10 кГц (рис. 2Ь) и 100 кГц (рис. 2с). На всех приведенных зависимостях наблюдается скачок соответствующих значений при смене полярности напряжения на затворе структуры, а также незначительный гистерезис в области положительных смещений. Величина «скачка» емкости составляет примерно 50, 40и 280 pF при частоте измерительного сигнала 1, 10и 100 кГц соответственно. Отрицательные ветви ВФХ и проводимости практически не зависят от напряжения смещения, а положительные ветви испытывают некоторое «выпрямление» с увеличением частоты тестирующего сигнала, при этом отрицательная ветвь проводимости на частоте 100 кГц выше положительной и в целом проводимость больше, чем при других частотах. При положительном смещении образца слабый рост сквозной проводимости коррелирует со слабым спадом емкости (рис. 2а,Ь), при том, что на частоте 10 кГцпроисходит понижение проводимости почти на два порядка (рис. 2Ь).
-6 -4 -2 0 2 4 6 U, V
Рис. 2. С' V характеристики (кривые 1) и проводимость структуры (кривые 2), измеренные при частоте измерительного сигнала: а) - 1кГц; Ь) - 10кГц; с) - 100кГц. Кривые 1 относятся к левой оси ординат, а кривые 2 - к правой оси ординат. Темные кружочки и треугольники соответствуют изменению напряжения смещения на образце от положительных значений («+» на затворе) к отрицательным («-» на затворе), а светлые кружочки и треугольники -изменению напряжения от «-» к «+»
Еще одной важной особенностью полученных ВФХ является их нетипичность для p-типа МДП-элементов [12], поскольку для подложек p-типа отрицательная ветвь ВФХ должна быть выше положительной. Такое нетипичное поведение ВФХ наших образцов мы связываем с наличием встроенного в диэлектрик положительного заряда, который по действию эквивалентен положительной поляризации МДП-структуры [13]. Положительный заряд в окисле, скорее всего, обусловлен отклонением от строгой стехиометрии SiO2 на стадии его технологического роста при магнетронном распылении мишени из кремния.
Также нельзя исключать и возможный вклад в такой заряд ионов Sb+^виду слабой катионно-анионной связи в InSb), которые могут попасть в приграничную с полупроводником область диэлектрика.Величина такого суммарного заряда может быть достаточной, чтобы своим полем вызвать инверсию носителей тока в приповерхностном слое полупроводника.
При положительной поляризации МДП-элемента электроны инверсной области полупроводника могут туннелировать в диэлектрик по механизму Фаулера-Нордгейма [14], уменьшая встроенный положительный заряд. Уменьшение такого заряда при развертке внешнего напряжения, по всей видимости, происходит неравномерно, т. к. емкость С=dQ/dV претерпевает слабый спад. Практически одинаковые значения работы выхода Cr и энергии электронного сродства InSb (~ 4.6 эВ) дают основание говорить о возможности эмиссии электронов из затворного электрода в диэлектрик по вышеназванному механизму и при отрицательном смещении образца. В этом случае логично предположить, что число туннелируемых электронов больше и эффективный положительный заряд в диэлектрике скачкообразно уменьшается. Пологий участок ВФХ (dQ/dV ~ const) при отрицательных смещениях указывает на равномерный характер уменьшения положительного заряда диэлектрика, что может косвенно свидетельствовать о близости центроида положительного заряда к границе диэлектрик-полупроводник. Поведение проводимости при развертке внешнего напряжения мы связываем с обменом электронами между ловушками в диэлектрике и поверхностными состояниями полупроводника, которые, в свою очередь, могут обмениваться электронами из приповерхностной области. Следовательно, в зависимости от скорости данного процесса, измерительная аппаратура будет по-разному реагировать на зарядовые изменения при разных периодах измерительного сигнала. Механизм возникновения гистерезиса ВФХ МДП-структур на основе InSb подробно описан в работах [12, 15].
Заключение
Таким образом, при соблюдении определенных условий в технологическом процессе нанесения SiO2 на подложку InSb могут быть получены МДП-структуры с резким «переключением» емкости при смене полярности напряжения смещения. Такой эффект, на наш взгляд, может быть использован при изготовлении различных функциональных устройств для микро- и радиоэлектроники.
Литература
1. Филачев А.М.,Таубкин И.И., Тришенков М.А. Современное состояние и магистральные направления развития современной фотоэлектроники.- М.: Физматкнига, 2010. - С.128.
2. Вавилов В.С., Плотников А.Ф., Шубин В.Э. О возможности использования МОП структур на основе InSb в качестве преобразователей изображения // ФТП. -1970. - Вып. 4. - С.598-600.
3. Королевич Л.Н., Борисов А.В., Прокопенко А.С. и др.CV-исследования электрофизических параметров тонких пленок Се02в МДП-структуре А1-Се02-п-81-А1// Твердотельная электроника. - 2008. - Вып. 1. - С. 35-37.
4. Ross E.C., WallmarkI.T.Theory of the switching behavior of MIS memory transis-tors//RCH Rev. - 1969. - V.30. - P. 366-881.
5. Barbe D.F. Imaging devices using the charge-coupled consept // Proc. IEEE.- 1975. -V. 63, №1. - P.38-67.
6. Schwierz F., PezoldtJ.,Granzner R.Two-dimensional materials and their prospects in transistor electronics // Nanoscale. - 2015. - V.7. - Р.8261-8283.
7. Subash T.D., Gnanasekaran T., Divya C. Performance analysis of InSb based QWFET for ultra high speed applications// Journal of Semiconductors. - 2015. - V.36, № 1. -P. 014003-1- 014003-4.
8. Uddin M.M., Liu H.W., Yang K.F.et al. Gate depletion of an InSb two-dimensional electron gas // Appl. Phys. Lett. - 2013. - V.103. - P.123502-1-123502-1.
9. Chang E.Y. et al. Studying ofInSbMOSCapacitors forPostCMOS Application // IEEE. 2013. - V.63,№1. - Р. 38-42.
10. Trinh H.D. et al. Band Alignment Parameters of Al2O3/InSb Metal-Oxide-Semiconductor Structure and Their Modification with Oxide Deposition Temperatures // Appl. Phys. Express. - 2013. - V.6. - P.061202-1-061202-3.
11. Вайнер В.Г. МДП-структуры на основе антимонида индия в сильном электрическом поле: дис. ... канд. физ.-мат. н. - Новосибирск, 1984. - С.237.
12. Nakagava T., Fujisada H. Method of separating hysteresis effects from MIS capacitance measurements // Appl. Phys. Lett. - 1977. - V.31,№5. - P.348-350.
13. Hofstein S.R., Zaininger K.H., Warfield G. Frequency response of the surface inversion layer in silicon // Proc. IEEE. 1964. - V.52,№8. - P.971-972.
14. Fowler R.H., Nordheim L. Electron emission in intense electric fields // Proc. Roy. Soc. 1928. - V.119,№A781. - P.173-181.
15. ВавиловВ.С., ПлотниковА.Ф., ШубинВ.Э. Перезарядкаловушекоксида InSb вструктурах Au-оксид InSb-InSb // ФТП. - 1971. - T. 5. - Вып. 11. - С. 2064-2069.
Поступила в редакцию 7 сентября 2015 г.
UDC 537.22
The effect of oxide charge states on the capacitance-voltage characteristics of the MOS structure of Cu-SiO2-p-InSb
R.A. Aliev1, G.M. Gajiev1'3, M.M. Gadzhialiev1, A.M. Ismailov1'2, Z.Sh. Pirmagomedov1
1 Institute of Physics of Dagestan Research Centre of the Russian Academy of Sciences; Rus-sia,367003, Makhachkala, M. Yaragsky st., 94
2Dagestan State University; Russia, 367001, Makhachkala, M. Gadzhiev st., 43 a; [email protected]
3Dagestan State Institute of National Economy; Russia, 367008, Makhachkala, D. Atayev st., 5
By methods of magnetron sputtering MIS structures based on InSb have been produced. Reduction of the energy of sputtered particles on the growth surface has been achieved by sputtering a target made of silicon in a gas mixture of Ar:O2=1:1 at the maximum high pressure combustion of magnetron discharge (0.3 mmHg.). Thermalization mode of the sprayed substance has been obtained through the selection of the distance target-substrate of 5 cm and the substrate temperature T ~ 2000C. Capacitance-voltage characteristics and conductance of MOS structures based on InSb at different frequencies of the measuring bridge have been measured. The influence of the positive charge, embedded in the dielectric, on the measured characteristics of the sample is discussed. The influence manifests itself as a sharp "switch" capacity under the changes in the polarity of the external effects of low-field (E<106 V/cm).
Keywords: capacitance-voltage characteristics, MOS-structure, silicon oxide, indium antimonide, oxide charge, end-to-end conductivity, bias voltage, magnetron sputtering.
Received 7September, 2015
