Влияние термообработки и толщины оксидного слоя на характеристики полупроводниковых материалов

АННОТАЦИЯ

В статье было исследовано влияние термообработки на фактор идеальности (n) и влияние толщины оксидного слоя (d_ok) на электрические характеристики металл – оксидный слой – полупроводник (МОП) структур. При присутствии промежуточного окисного слоя коэффициент идеальности n довольно хорошо приближается к единице, т.е. n=1.3. С увеличением толщины промежуточного окисного слоя увеличивается и коэффициент идеальности n, значение которого от 1,2 до 2,25. Отсюда видно, что большое значение коэффициента идеальности свидетельствует о сильном влиянии промежуточного, вероятно, оксидного слоя на механизм тока прохождения.

Проведя термические обработки собственных анодных, химических и термических оксидов фосфида индия (InP), мы пришли к выводу, что они по своей химической структуре не являются однофазными и стехиометрическимии их химический состав зависит как от условий получения, так и режимов последующей термической обработки. Неоднородности в области границы раздела металл–полупроводник возникают вследствие несовершенства поверхности кристалла, неравномерности адсорбции и диффузии атомов металла и компонентов полупроводника, а также протекающих химических реакций. Нами было исследовано влияние термообработки на фактор идеальности (n) и влияние толщины оксидного слоя (d_ok) на электрические характеристики металл – оксидный слой – полупроводник (МОП) структур.

ABSTRACT

In the article the influence of thermal processing on the ideality factor (n) and the effect of the thickness of the oxide layer (dok) on the electrical characteristics of the metal - oxide layer - semiconductor (MOS) structures is studied. In the presence of the intermediate oxide layer the ideality coefficient nis close to the unity n = 1.3. With increasing thickness of the intermediate oxide layer, the ideality factor nis increased which value is from 1.2 to 2.25. This shows that the importance of ideality coefficient indicates a strong influence of the intermediate one, probably the oxide layer on the mechanism of current flow.

After a thermal treatment of its own anode, chemical and thermal oxides of indium phosphide (InP), we have come to the conclusion that they are not single-phase and stoichiometricin their chemical structure and their chemical composition depends on the reception conditions and modes followed by heat treatment. Discontinuity in the boundary region between a metal - semiconductor surface are due to imperfections in the crystal, adsorption and uneven diffusion of metal atoms and semiconductor components, and chemical reactions. We have studied the effect of heat treatment on the ideality factor (n) and the effect of the thickness of the oxide layer (dok) on the electrical characteristics of the metal - oxide layer - semiconductor (MOS) structures.

Структуры металл – тонкий окисел – полупроводник (МОП-структуры) находят широкое применение в современной микро- и оптоэлектронике. Свойства границы раздела и промежуточного слоя в значительной мере определяют параметры на основе этих структур. Введение промежуточного окисного слоя с определенными свойствами между металлом и полупроводником повышает напряжение холостого хода и эффективность фотопреобразователей энергии [1]. 

Исследованиями электрофизических и фотоэлектрических свойств структур металл-оксид фосфида индия-фосфида индий, проведенными ранее [2], была установлена оптимальная толщина окисного слоя с точки зрения получения наибольший эффективности фотопреобразователей. Состав окисных слоев не было изучено полностью.

Проведя термические обработки собственных анодных, химических и термических оксидов фосфида индия (InP) и основываясь на результатах других авторов [3],мы пришли к выводу, что они по своей химической структуре не являются однофазными и стехиометрическими и их химический состав зависит как от условий получения, так и режимов последующей термической обработки. Термическая обработка сложных многокомпонентных объектов не дает информации, необходимой для достоверной идентификации их химического состава, требующейся для проведения сопоставительного анализа характеристик собственных оксидов, формируемых различными способами. Неоднородности в области границы раздела металл–полупроводник возникают вследствие несовершенства поверхности кристалла, неравномерности адсорбции и диффузии атомов металла и компонентов полупроводника, а также протекающих химических реакций. Различными методами сверхвысоковакуумной техники установлено, что в процессе образования барьера на границе раздела формируется промежуточный слой. Для полупроводниковых соединений А³В⁵ (А³-элемент 3-группы, В⁵-элемент 5-группы) промежуточный слой содержит в основном фазу металл –анион, и его толщина изменяется от 2 до 20  с переходом от слабого к сильно реагирующим металлам с полупроводником n-типа. Для полупроводников А²В⁶ межфазный слой имеет более сложное строение.

Рис.1. Изменение фактора идеальности от температуры для Au-n-InP МОП структур

Нами было исследовано влияние термообработки на фактор идеальности (n) и влияние толщины оксидного слоя (d_ok) на электрические характеристики металл – оксидный слой – полупроводник (МОП) структур.

Коэффициент идеальности оценивался при каждой температуре, что и показано на рис.1. Явной зависимости n от температуры при более высоких температурах (200÷400К) почти не обнаружено. Несмотря на наличие промежуточного окисного слоя, коэффициент идеальности n довольно хорошо приближается к единице, т.е. n=1.3. Эти результаты означают, что избыточные токи, такие как ток рекомбинации, существенно не влияют при прямых смещениях. В области низких температур наблюдается увеличение n. Это показывает, что при низких температурах увеличиваются избыточные токи за счет рекомбинационных составляющих тока.

Рис.2. Прямая ветвь ВАХ Au-n-InP структур при 300 К и

d_ok=1,9(1), 2,3(2), 2,6(3), 4(4), 6(5), 10(6)  в нм.

На рис.2. приведены прямые ветви вольт-амперной характеристики (ВАХ) с различной толщиной промежуточного окисного слоя. Прямые ветви ВАХ описываются соотношением.

                                      (1)

Тогда ток насыщения

        (2),

где А*=9,4А/см^-2К^-2 для InP, m–эффективная масса туннелирующих электронов, c–эффективная высота потенциального барьера для туннелирующих электронов. Оценка  наклону кривых дала значения от 1,2 до 2,25. Отсюда видно, что увеличение толщины промежуточного окисного слоя увеличивает коэффициент идеальности n. Большое значение коэффициента идеальности свидетельствует о сильном влиянии промежуточного, вероятно, оксидного слоя на механизм тока прохождения.