О влиянии концентрации примесных центров захвата носителей заряда в твердотельных слоистых структурах на их свойства

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_t 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 ω _э 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 I ( T ), обусловленные наличием моноэнергетического уровня в полупроводнике, с хорошей точностью описываются выражением, полученным из модельных представлений, приведенных в [3]:

I ( T) = q ц t r to e EN t S exp[- E t I kT - ( rn _e I в )ехр(- E t / kT‘)dT'],                       (1)

где   T        –    абсолютная температура;

q        –    единичный заряд;

µ         –    подвижность носителей заряда;

Вестник ВолГУ. Серия 1. Вып. 10. 2006

Е        – средняя напряженность электрического поля в слоистой структуре при воздействии на нее приложенного напряжения;

β         –     скорость нагрева образца;

k        –    постоянная Больцмана;

E_t        –     энергия активации моноэнергетического уровня;

S        –    площадь структуры;

Tо и Tк   –    температурные положения начала и конца пика термостимулированного тока деполяризации;

T′       –    параметр интегрирования по ширине пика. Это выражение соответ ствует случаю слабого повторного захвата носителей заряда на имеющемся моноэнергетическом уровне в слое полупроводника (при этом m ≈ 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, β = 0,5 К с^–1, S ≈ 10^–2 см², E_t = 0,21 эВ (для титана). Методика определения концентрации ловушек N_t на моноэнергетическом уровне по известной концентрации легирующей примеси приведена в [1].

Полученная нами экспериментальная зависимость ω _э от N_t для этого случая приведена на рис. 1. Из рисунка видно, что с увеличением N_t , значения ω _э 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 ω _э и m :

toe« (Et в / k T m) exp(Et / kTm) [1 + (m - 1) 2kTm / Et]-1 ,                (2)

где T_m – температурное положение максимума пика термостимулированного тока деполяризации (для разных значений N_t оно было разным).

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

Анализ этого выражения применительно к данному случаю показывает, что увеличению ш э соответствует уменьшение m , однако его изменение незначительное (при изменении to e в пределах 2 • 10 8 с^-1 ^ 9 • 10 9 с^-1, значение m изменялось в пределах 1,21 ^ 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 ( е _ ) переноса сигнального заряда, определяющей его потери при переносе от времени, за которое производится однократный перенос зарядового пакета ( T_t ) от одной структуры к другой. Для этого используем ранее обоснованное нами в [4] полуэмпирическое выражение:

Tк f I(T) р dt]/{Et CVg exp[1-ln (1/Tt roe)]},

еss « n [kTm

T где n – число переносов зарядовых пакетов от одной структуры к другой (в данном случае n = 1), CdVg – поверхностная плотность сигнального заряда (брались типовое значение напряжения, подаваемого на структуру Vg = 10 В и измеренное по высокочастотным C-V характеристикам значение емкости диэлектрика Cd ~ 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 е ^ ( T ) для значений ш э , соответствующих минимальному и максимальному значениям N_t , согласно рис. 1, приведены на рис. 2. Значения T_t 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 T_t , потери заряда при его переносе уменьшаются, что уже обосновано нами в [4] (если условно перейти к частотному аналогу T_t , то характер этих зависимостей будет такой же, как для аналогичных зависимостей ε_ss ( f ), 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 C_d 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 - ю э = 2 • 10 8 с^-1; 2 - ю э = 9 • 10⁹ с^-1, m « 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.