Электрофизические свойства контактов редкоземельный металл-кремний, силицид редкоземельного металла-кремний и поверхностно-барьерных диодов на их основе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

На правах рукописи

МИЛЮТКИН ЕВГЕНИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОНТАКТОВ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫЙ МЕТАЛЛ-КРЕМНИЙ, СИЛИЦИД РЕДКОЗЕМЕЛЬНОГО МЕТАЛЛА-КРЕМНИЙ И ПОВЕРХНОСТНО -БАРЬЕРНЫХ ДИОДОВ НА ИХ ОСНОВЕ

01.04.10 - Физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико - математических наук

Самара- 1997 \

.„--О '

Работа выполнена в Самарском государственном университете

Научный руководитель: кандидат физико - математических

наук, доцент В.А. Рожков

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки РФ Б.Н. Климов;

кандидат физико - математических, доцент В.В. Зайцев.

Ведущая организация: НИИ «Волга», г. Саратов

Защита состоится 5 февраля 1998 г. в 10 часов, на заседании диссертационного совета К063.94.05 в Самарском государственном университете (443011, г. Самара, ул. Акад. Павлова, 1).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного университета.

Автореферат разослан 26 декабря 1997 года

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физ.-мат. наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время контакты металл - полупроводник и структуры на их основе нашли исключительно широкое применение в производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем. Они участвуют практически во всех исследованиях физических свойств полупроводников. В одних случаях такие контакты являются активными элементами, определяющими полезные свойства полупроводникового прибора (например, диода, фотодиода или полевого транзистора с барьером Шоттки и т.п.), в других - пассивными, роль которых сводится к подведению электрического тока. Однако и в этом случае их влияние может быть существенным: так, например, они обусловливают рекомбинацию, шумы и т.п. Области применения контактов металл - полупроводник непрерывно расширяются. Такое обширное применение полупроводниковых приборов с барьером Шотгки в последние годы стало возможным, во-первых, в связи с развитием теории контакта металл-полупроводник, во-вторых, из-за совершенствования технологии получения неприжимных контактов металл-полупроводник.

Широкое применение контактов металл - полупроводник и полупроводниковых приборов на их основе вызывает необходимость поиска и исследования характеристик новых контактных систем, обладающих разнообразными функциональными свойствами. К числу перспективных металлов для создания эффективных барьеров Шотгки с кремнием р - типа проводимости относятся редкоземельные элементы (РЗЭ), имеющие малую величину работы выхода электронов и позволяющие реализовать в контакте с р - кремнием большие по величине потенциальные барьеры. С этой точки зрения данная система перспективна для физических исследований и практических приложений в связи с возможностью получения значительных по величине барьеров, обладающих высокой эффективностью. Однако к моменту постановки настоящей работы в литературе отсутствовали экспериментальные данные о значении высоты барьера Фь в системе кремний- редкоземельный металл (РЗМ) за исключением одной работы, в которой Фь«0,7 эВ получена для контакта р-кремния с иттербием, тербием и эрбием. Совершенно не нашли отражения в литературе физическая модель, фотоэлектрические свойства поверхностно-барьерных диодов (ПБД) на основе контакта редкоземельного элемента- кремний и сведения о возможности их практического использования.

Актуальной задачей полупроводниковой электроники является также улучшение параметров и характеристик полупроводниковых приборов и элементов интегральных схем. Значительных успехов в этой области в последние годы удалось достичь вследствие применения новых материалов - тонкопленочных силицидов металлов. Пленки этих соединений перспективны для создания низкоомных контактов, поверхностно - барьерных диодов, электро-

дов затворов МДП - приборов, выполняемых по самосовмещаемой технологии, в интегральных схемах, межэлементных пленочных электрических соединений. Кроме этих, становящихся уже традиционными, областей применения, силициды могут послужить базовым материалом для новых, перспективных технологических процессов производства сверхбольших интегральных схем будущих поколений. Большие возможности открываются для процессов твердофазной эпитаксии с использованием слоев силицидов, ионной имплантации тугоплавких металлов через тонкие слои силицидов, применения силицидов в оптоэлектронных устройствах длительного хранения информации.

Силициды металлов, обладая высокой стабильностью, термической устойчивостью, хорошей адгезией к поверхности кремния, образуют тесный контакт металл-полупроводник с кремнием и характеризуются высокой стабильностью электрических характеристик. Однако, прогнозирование масштабов промышленного применения силицидов в микроэлектронике и их практическое использование в настоящее время представляет определённые трудности вследствие слабой изученности целого ряда их свойств, представляющих интерес.

Среди соединений кремния с металлами выделяются силициды редкоземельных металлов, которые образуют первую и окончательную дисилицид-ную фазу при весьма низких температурах (620-720 К) и формируют высокий барьер на р-кремнии и низкий на кремнии п-типа проводимости. Низкие значения высоты барьера на контракте силицид РЗМ- кремний п-типа позволяют говорить о возможности использования этой системы в качестве омического контакта. Однако, систематическое исследование свойств тонкоплёночных силицидов РЗМ и барьеров Шотгки на основе контакта силицид РЗМ- кремний только ещё начато. Не исследована кинетика роста силицидов РЗМ. Не ясен механизм образования дисилицидов при такой низкой температуре. Крайне мало данных имеется и об электрофизических свойствах этих контактов. В частности, не исследованы влияние уменьшения высоты барьера на основе силицида РЗМ на величину контактного сопротивления, морфология поверхности и структурные особенности переходной области контакта кремний-силицид РЗМ.

В связи с этим целью данной работы является изучение электрофизических свойств контакта тонкопленочного редкоземельного элемента с кремнием, исследование электрофизических свойств тонкопленочных силицидов РЗМ и поверхностно - барьерных диодов на основе контакта РЗМ - кремний и силицид РЗМ - кремний.

Научная новизна работы. Важнейшими из новых научных результатов, полученных в диссертационной работе, являются следующие.

Впервые проведено комплексное экспериментальное исследование )лектрофизических свойств контактов редкоземельный металл - кремний и :илицид редкоземельного металла - кремний и поверхностно - барьерных 1иодов на их основе.

Установлено, что свойства поверхностно - барьерных структур с крем-шем р - типа приводимости близки к идеальным барьерам Шоттки. Коэффи-шент идеальности для различных диодов Шоттки на основе контакта РЗМ - р кремний лежал в пределах п = 1,05 - 1,13, а величина плотности обратного -ока насыщения в темноте составляла 10"7 - 10'6 А/см2 при значении обратного тпряжения в 10 В. Показано, что к исследуемым контактам в области ком-ттных температур применима теория термоэлектронной эмиссии. Установ-[ено, что высота потенциального барьера в ПБД для всех исследованных ред-;оземельных металлов практически совпадает между собой, не зависит от ра-юты выхода электронов из РЗМ и составляет 0,79 - 0,8 эВ. Показано, что в об-, [асти контакта РЗМ - рБ1 ПБД существует переходной диэлектрический слой с

олщиной ~ 25 А и плотностью поверхностных состояний, лежащей в преде-ах от 3,9-1011 до 1,М012эВисм-2.

Исследованы фотоэлектрические свойства ПБД на основе контакта РЗМ р - кремний при освещении их светом из области межзонного поглощения ремния в фотодиодном и вентильном режимах. Установлено, что предельные еличины. фотоЭДС холостого хода составляют 0,54 В для поверхностно -арьерных фотодиодов на основе контактов Ос1 -рБ! и Ьи -р81. Показано, что пектральная чувствительность ПБД с различными РЗМ в вентильном режиме а длине волны 0,63 мкм лежит в пределах 0,15 - 0, 25 А/Вт, что соответствует начениям квантовой эффективности 30 - 50 %. В фотодиодном режиме при апряжении большем 1 В. значения спектральной чувствительности составля->т 0,46 А/Вт и 0,3 А/Вт, а величины квантовой эффективности достигают ве-ичин равных 90 % и 60 % для диодов на основе контакта Ос1 - рБ1 и Эу -эответственно.

Обнаружено, что поверхностно - барьерные структуры с РЗМ обладают ысокой эффективностью преобразования световой энергии в электрическую КПД, достигающим значения 9,3 %, при оптимальной величине нагрузочно-) сопротивления в 2 кОм, при этом коэффициент заполнения составляет 0,65.

Экспериментально установлено, что величина спектральной чувстви-¡льности при освещении образцов на основе контакта Бу-р51 монохромати-гским излучением (А=0,63 мкм) с мощностью 0,25 мВт в области лавинного лножения фотоносителей составляла 75 А/Вт, а коэффициент усиления фон-ока при обратном напряжении в 110 В равнялся 500. Для ПБД на основе

контактов Ьи-рБ! и достигнутые значения коэффициента умножения фо-, тотока составляли 1200 и 1000 соответственно. Установлено, что зависимости коэффициентов ударной ионизации электронов и дырок в кремнии от напряжённости электрического поля в области (1,6-3,0)-105 В/см удовлетворительно описываются теоретическими зависимостями Баррафа, при этом коэффициент ударной ионизации электронов почти на порядок превышает коэффициент ударной ионизации дырок.

Установлено, что формирование силицида РЗЭ происходит в единственной дисилицидной фазе при температурах выше 623-673 К. Методом рентге-ноструктурного анализа и Оже-электронной спектроскопии исследован фазовый состав образующихся силицидных плёнок РЗЭ. Показано, что плёночные дисилициды диспрозия, иттрия и гадолиния формируются со структурой типа а-Ос!8!2, а дисилицид лютеция имеет структуру А1В2.

Установлено, что на контакте дисилицида РЗМ с кремнием р-типа проводимости реализуются сравнительно большие величины потенциального барьера (0,73-0,75 эВ), которые практически одинаковы для силицидов различных РЗМ. Определены значения высоты потенциального барьера на контакте силицида РЗМ с п-кремнием (0,35-0,41 эВ). Экспериментально установлено, что величины спектральной фоточувствительности кремниевых фотодиодов с плёночными дисилицидами гадолиния и диспрозия на длине волны 0,63 мкм лежат в пределах 0,25-0,3 А/Вт. Показана перспективность использования тонкоплёночных силицидов РЗМ для создания поверхностно-барьерных приборов, омических контактов к п-кремнию, фоточувствительных элементов и межэлементных соединений в кремниевых приборах и интегральных схемах.

Практическая ценность. Результаты работы могут использоваться при разработке приборов с применением пленок редкоземельных металлов и силицидов редкоземельных металлов. Хорошие выпрямительные свойства контактов редкоземельный металл - р - кремний и силицид редкоземельного металла - р - кремний открывают возможности для создания на основе этих структур поверхностно - барьерных детекторов и диодов.

Высокие фотоэлектрические параметры поверхностно - барьерных диодов на основе контактов редкоземельный металл - р - .кремний указывают на перспективность использования их в качестве высокочувствительных фотоприемников, в том числе обладающих внутренним усилением фототока, с коэффициентом лавинного умножения фототока, лежащем в пределах 1000 -1200. Малые величины потенциального барьера и контактного переходного сопротивления в структуре силицид РЗМ - пБ! позволяют использовать их в качестве низкоомных контактов к кремнию п - типа проводимости и пленоч-

ных токоведущих соединительных дорожек между элементами интегральных схем.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты экспериментального исследования электрических свойств контактов кремний - редкоземельный металл и кремний - силицид редкоземельного металла.

2. Эффект лавинного умножения фототока в кремниевых поверхностно - барьерных диодах с контактом из редкоземельного металла.

3. Экспериментально - определённые величины высот потенциального барьера на контакте РЗМ - р - кремний и силицид РЗМ - р - кремний, равные 0,79 - 0,8 эВ и 0,73 - 0,75 эВ соответственно и их независимость от типа редкоземельного металла.

4. Механизм формирования плёнки дисилицида редкоземельного элемента на поверхности кремния в процессе его термообработки, состоящий в диффузии атомов кремния в плёнку РЗМ и твёрдотельной химической реакции между атомами кремния и РЗМ.

Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Пути повышения стабильности и надёжности микроэлементов и микросхем" (г.Рязань, 1984г.), 8 Всесоюзном совещании "Физика поверхностных явлений в полупроводниках" (г.Киев, 1984г.), 9 Всесоюзном симпозиуме "Электронные процессы на поверхности и в тонких слоях полупроводников" (г.Новосибирск, 1988 г.), Всесоюзной школе по актуальным вопросам физики и химии соединений на основе РЗЭ (г. Красноярск, 1989 г.), 5 Всесоюзной конференции по физике и химии редкоземельных полупроводников (г. Саратов, 1990 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 18 печатных работ, в том числе 12 статей и 6 тезисов докладов на научно - технических конференциях и семинарах.

Структура и обьем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и основных выводов, списка использованных источников из 148 наименований, содержит 39 рисунков, 19 таблиц. Общий обьем диссертации составляет 146 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и основные задачи исследований, указаны новизна, научная и практическая важность результатов работы, приведены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава "Редкоземельные металлы, их свойства и контакты металл - полупроводник и силицид металла - полупроводник" носит обзорный

характер. В этой главе рассмотрены общая характеристика, атомные массы, конфигурация внешних электронов, ионные радиусы, кристаллическая структура и параметры элементарных ячеек РЗЭ. Анализируются экспериментальные данные о физических свойствах РЗЭ таких, как температура плавления, плотность, температурный коэффициент расширения, давление насыщенного пара при температуре плавления, температура кипения, удельное сопротивление. Отмечается, что наблюдаемое в ряду лантаноидов повышение температуры плавления (за исключением церия, европия и иттербия) указывает на повышение прочности связи, которую необходимо разрушить для расплавления металла.

Проанализированы модели Шотгки, Мотга, Бардина для контакта металл - полупроводник и показана слабая корреляция между значением высоты потенциального барьера на контакте с величиной работы выхода металла. Рассмотрены модели тесных контактов и контактов с промежуточным диэлектрическим слоем, а также механизмы электропроводности в них для различных полупроводниковых материалов и внешних условий.

Анализ свойств тонкопленочных силицидов металлов показывает, что эти материалы в зависимости от их условий получения, фазового состава, физических свойств условно могут быть разбиты на три больших класса: силициды тугоплавких металлов, силициды полублагородных металлов и силициды редкоземельных металлов. Тугоплавкие металлы реагируют с кремнием, образуя дисилициды, при температурах « 600° С, тогда как полублагородные металлы при температуре » 200° С образуют силициды, обогащенные металлом. РЗМ, подобно тугоплавким, взаимодействуют с кремнием, формируя ди-силицид, но при значительно низких температурах « 350 - 400° С. Формирующаяся фаза не позволяет отнести их к классу силицидов полублагородных металлов, а температура образования не дает возможности включить их в класс силицидов тугоплавких металлов. Кроме того, силициды тугоплавких металлов характеризуются линейным законом роста во времени, а для силицидов полублагородных металлов свойственна параболическая зависимость кинетики образования. Установить вид закона кинетики формирования для силицидов РЗМ до настоящего времени не удалось, из-за очень быстрой скорости реакции превращения металла в силицид..

В обзоре также представлены зависимости высоты барьера на контакте силицид металла - nSi от работы выхода металла, от средневзвешенной работы выхода промежуточного слоя силицида, от теплоты образования силицидов, от температуры эвтектики и от положения металлов в периодах таблицы Менделеева. Рассмотрены кристаллическая структура и электрофизические свойства тонкопленочных силицидов металлов.

Вторая глава «Методика получения и исследования свойств кремниевых поверхностно - барьерных структур на основе редкоземельных металлов и их силицидов» посвящена описанию технологии изготовления экспериментальных образцов, методик исследования кристаллической структуры, фазового состава, морфологии поверхности, переходной области контактов, измерения электрических и фотоэлектрических характеристик образцов и измерительных установок.

Поверхностно-барьерные диоды, свойства которых исследовались, изготавливались на основе контакта р-кремния с некоторыми наиболее устойчивыми и перспективными РЗЭ, в качестве которых были выбраны самарий, гадолиний, диспрозий, лютеций и иттрий. При получении ПБД использовались полированные подложки монокристаллического кремния марки КДБ-10, ориентированные по плоскости (100), которые перед напылением РЗЭ обезжиривались путем кипячения в четыреххлористом углероде и подвергались химической обработке в полирующем травителе типа CP - 4.

Пленка редкоземельного металла диаметром 250 - 850 мкм получалась термическим распылением РЗЭ из молибденовой или танталовой лодочки на специально не подогреваемые подложки через трафарет в вакууме 5-10"6 Тор на установке типа ВУП-5. Омический контакт с противоположной стороны кремниевой пластины формировался путем напыления сплошного слоя алюминия в вакууме 5-1 О*6 Тор. В ряде случаев для защиты пленок РЗЭ от воздействия окружающей среды и предотвращения их окисления на воздухе на слой редкоземельного металла термическим испарением в вакууме из другого испарителя наносилась пленка хрома, серебра или алюминия.

Силициды на поверхности кремния формировались путем отжига в вакууме «5-10'6 Тор при температуре 623 - 723 К пленки РЗМ, нанесенной на поверхность кремния марки КЭФ-10 термическим распылением.

Фазовый состав исследуемых силицидов определялся рентгенострук-турным методом на дифрактометре типа ДРОН-3 и с помощью Оже-электронной спектроскопии. Профили концентраций элементов по глубине изучались из Оже-спектров при послойном ионном травлении пленок. Поверхностная морфология пленочных силицидов исследовалась оптическим и электронноэмиссионным способами с помощью микроинтерференционного микроскопа типа МИИ-4 и эмиссионного микроскопа марки EF-4 (Z6) соответственно. В последнем случае регистрировалось распределение тока эмиссии вторичных электронов с поверхности пленочного силицида при энергии возбуждающих электронов равной 20 кэВ.

С целью изучения электрофизических свойств границы раздела P3M-Si и силицид РЗМ-Si исследовались вольтамперные и вольтфарадные характеристики, их зависимости от температуры, а также спектральные зависимости то-

ка фотоэмиссии дырок из контакта в кремний. Вольтамперные (ВАХ) и вольтфарадные характеристики (ВФХ) ПБД с РЗМ и их силицидами измерялись в температурном интервале 77 - 300 К. Фотоэлектрические свойства ПБД определялись при освещении структур монохроматическим излучением с длиной волны X = 0,63 мкм от гелий-неонового лазера типа ЛГ-78.

В третьей главе «Контакты редкоземельный металл-кремний и поверхностно-барьерные диоды на их основе» приводятся результаты исследования электрических свойств контактов редкоземельный металл-кремний и поверхностно - барьерных диодов на их основе. В этой главе показано, что ПБД для всех используемых РЗМ в контакте с р-кремнием близки к идеальным барьерам Шоттки. ВАХ изучаемых структур, проявляли сильную униполярность с коэффициентом выпрямления, лежащем в интервале 105-10б. Прямые ветви ВАХ, построенные в координатах InJ от V с учётом падения напряжения в объёме полупроводника линейны и при постоянной температуре описываются зависимостью: J=Js[exp(qV/kT)-l], где Js- величина обратного тока насыщения, q-заряд электрона, k-постоянная Больцмана. Вольтамперные характеристики ПБД с различными РЗМ в области прямых смещений практически сливались между собой. Коэффициент идеальности для различных диодов лежал в пределах п = 1,05 - 1,13, а величина плотности обратного тока насыщения в темноте составляла 10'6 - 10"7 А/см2 при значении обратного напряжения в 10В. Пробой диодов происходил по лавинному механизму с пробивными .напряжениями близкими к теоретическому пределу Vnp = 140 - 180 В.

Уменьшение температуры образца приводит к снижению величины протекающего тока, однако, зависимости сохраняют прямолинейный вид. На температурных зависимостях тока наблюдаются два линейных участка с различными значениями температурной энергии активации, равными 0,61 эВ и 0,1 эВ для температурных интервалов 275-373К и 140- 260 К соответственно. Представленная совокупность экспериментальных данных свидетельствует о том, что к исследуемым контактам в области комнатных температур применима теория термоэлектронной эмиссии.

Вольтфарадные характеристики, измеренные на частоте сигнала 300 кГц, свидетельствуют о равномерном распределении примеси в приповерхностной области полупроводника. Определённая из наклона C-V характеристик величина концентрации акцепторной примеси (Na=l,5i015 см'3) совпадает со значением, рассчитанным из удельного сопротивления полупроводника.

Спектральные зависимости фототока короткого замыкания ПБД, обусловленного фотоэмиссией дырок из РЗМ в кремний спрямляются в координатах корня квадратного из фотоотклика, пересчитанного на один фотон, от энергии фотона, что соответствует теории Фаулера для фотоэмиссии носите-

лей заряда через потенциальный барьер. Тремя независимыми методами, из ВАХ, ВФХ и спектральных зависимостей фототока Фь определены величины высот потенциальных барьеров на контакте редкоземельный металл - кремний р - типа проводимости. Основные параметры ПБД, определённые различными методами, приведены в таблице 1.

_Таблица 1

ПБД <Рм ,эВ п. Фь из ВАХ, Фь из ВФХ, ФЬИЗ

эВ эВ 14(Ьу), эВ

йс!- 3,07 1,07- 1,13 0,8±0,03 0,87±0,02 0,81

Бу- 3,25 1,05-1,10 0,78±0,02 0,9310,03 0,79

Ьи- 3,14 1,05- 1,08 0,78+0,02 0,86+0,02 0,79

У-Б! 3,3 1,05-1,11 0,77±0,03 0,85±0,03 -

Бш- Б! 2,7(3,2) 1,10 0,78±0,02 0,91+0,02 -

Как видно, значения Фь , определённые из ВАХ и фотоэлектрическим методом, близки друг к другу и в пределах точности эксперимента совпадают для различных металлов. Величины высоты потенциального барьера, измеренные по вольтфарадным характеристикам, превышают эти значения на 0,070,15 эВ. Полученное различие обусловлено влиянием промежуточного диэлектрического зазора и поверхностных состояний. Расчёт, проведённый для этой модели, показывает, что для объяснения наблюдаемых расхождений Фь, определяемых различными методами, можно предположить существование диэлектрического зазора с параметрами, указанными в таблице 2. Здесь 5/ег отношение толщины промежуточного слоя к его диэлектрической проницаемости; , Б5ь - плотность поверхностных состояний, находящаяся в равновесии с металлом и полупроводником соответственно. Оценки проведены в

предположении, что 5 = 25 А; е, =2,5 и 05а=0л . Результаты эллипсометриче-ских измерений и литературные данные показывают, что поверхность кремния после используемой химической обработки обладает аналогичными параметрами.

Таблица 2

Металл 8/вьА 05а, ,эВ"'см'2

Бш 10 1,01 ю12

бё 10 3,8710"

Оу 10 1,10 ю12

Ьи 10 5,0310"

У 10 8,8510"

Тангенс угла наклона температурной зависимости тока даёт величину энергии активации, равную 0,61 эВ, что соответствует значению высоты энергетиче-

ского барьера на контакте в 0,81 эВ. Это в пределах точности эксперимента, совпадает с величинами, определёнными из ВАХ и фотоэлектрическим методом.

Четвёртая глава «Фотоэлектрические свойства поверхностно-барьерных диодов на основе контакта РЗМ-кремний р-типа» посвящена описанию фотоэлектрических свойств, характеристик и параметров поверхностно - барьерных структур на основе контакта РЗМ - р-81 в вентильном и фотодиодном режиме, а также в условиях лавинного усиления фототока.

Как показали измерения, обратные ветви ВАХ всех исследованных диодов Шотгки характеризуются насыщением величины обратного тока с напряжением как в темноте, так и при освещении и качественно подобны аналогичным характеристикам кремниевых фотодиодов на основе контакта металл -полупроводник или с р - п переходом. Зависимости тока короткого замыкания Зкз от интенсивности освещения линейны вплоть до уровней подсветки I = 85 мВт/см2, а световые характеристики напряжения холостого хода Ухх описываются логарифмическим законом, следуя зависимости:

где /ф - темновой ток и фототок соответственно. Предельные величины ЭДС холостого хода составляют Ухх = 0,54 В для поверхностно - барьерных диодов на основе контактов вс! - и Ьи - Данное значение совпадает с величиной диффузионного потенциала на контакте РЗМ - кремний, полученной из высоты потенциального барьера, которая определялась методами ВАХ и спектральных зависимостей фототока.

Спектральная чувствительность поверхностно - барьерных фотодиодов с различными РЗМ в вентильном режиме на длине волны Л = 0,63 мкм лежит в пределах 5 Вх = 0,15 - 0, 25 А/Вт, что соответствует значениям квантовой эффективности 30 - 50 %. Приложение обратного смещающего напряжения приводит к возрастанию величины фототока в ПБД на основе гадолиния и диспрозия, при этом значения спектральной чувствительности составляют 5 фх = 0,46 А/Вт и 5 фл = 0,3 А/Вт соответственно и не изменяются с напряжением при У> 1 В. В этом случае величины квантовой .эффективности составляют 90 % и 60 % для диодов на основе контактов Сё - и Бу - соответственно. Спектральная чувствительность ПБД на основе лютеция и иттрия практически не зависит от величины обратного напряжения.

Исследуемые поверхностно - барьерные структуры в вентильном режиме обнаруживают высокую эффективность преобразования световой энергии в электрическую. При освещении структуры с контактом из лютеция диаметром 1 мм лазерным излучением с мощностью 1 мВт и длиной волны

0,63 мкм возникают электрические сигналы с Vxx = 0,52 В и Jкз = 2,7-10"4 А. Определенная из нагрузочной характеристики величина КПД при оптимальном значении нагрузочного сопротивления RH= 2 кОм достигает значения ^ = 9,3 %. При этом коэффициент заполнения составляет К3 = 0,65.

Характерно, что пробой этих структур происходит по лавинному механизму, причем величины пробивного напряжения V„p при комнатной температуре в темноте лежат в пределах 140 - 180 В. В области небольших значений коэффициента лавинного умножения тока (М= 1 -s- 14) зависимость его от величины обратного напряжения в темноте может быть аппроксимирована соотношением: М------(2)

■-(тС

При фотовозбуждении носителей излучением из области собственного поглощения кремния напряжение возникновения лавины зависит от.интенсивности света, а квантовая эффективность структур в режиме лавинного умножения фототока существенно возрастает. Для структур на основе диспрозия, лютеция и иттрия величина напряжения пробоя в области малых интен-сивностей света сильно уменьшается при увеличении мощности излучения с насыщением для высоких уровней освещения. Зависимость пробивного напряжения УПРФ от. мощности падающего излучения Р (мВт) с точностью не хуже 5 % аппроксимируется следующей эмпирической формулой:

\"|0,3

Inl—+ 1

Гя/=Гя/-А

Ро

(3)

где Упр° - темновое значение напряжения пробоя, коэффициент А = 53 В, Р0 = 1 мВт.

Спектральная чувствительность фотодиодов Бу - 81 при освещении образцов монохроматическим излучением ( Я = 0,63 мкм ) с мощностью 0,25 мВт в области лавинного умножения фотоносителей составляла 75 А/Вт, а коэффициент усиления фототока равнялся 500 при напряжении 110 В. Для ПБД на основе контактов Ьи -р31 и У -рБ! достигнутые значения коэффициента умножения фототока составляли Мф = 1200 и Мф = 1000 соответственно. Основные фотоэлектрические параметры исследованных фотодиодов приведены в таблице 3. Приведенные данные сопоставимы с лучшими значениями параметров фотоэлектрических диодов на основе кремниевых р - п переходов.

Экспериментальные характеристики коэффициентов лавинного умножения фототока, вызываемого электронами М„ и дырками Мр, от приложенного напряжения V позволили определить зависимость коэффициентов удар-

Таблица 3.

ПБД Ух/"", В й>л,А/Вт Бфх, А/Вт МФ К3

Ос! - 0,54 0,23 0,46 7,6 - 9,6 30 0,65

Оу-Б1 0,52 0,15 0,3 - 500 -

0,54 0,25 0,25 8,5-9,3 1200 0,66

0<51 - 0,40 - 1000 -

ной ионизации электронов ап и дырок ар от напряженности электрического поля. Анализ экспериментальных результатов показывает,что полевые зависимости коэффициентов ударной ионизации в области полей Е = (1,6 -3,0)-105 В/см могут быть аппроксимированы следующим соотношением: ап.Р = А„,р-ехр(-Вп,р/Е), (4)

где Л„ = 7,4-105 см"1, Вп = 1,2-106 В-см'1, Ар = 1,45-106 см-1, Вр = 2,0-106 В-см"1. Полученные результаты соответствуют теоретическим зависимостям Бараффа и удовлетворительно согласуются с данными, определенными при изучении кремниевых р-п переходов. Проведенные исследования показывают перспективность использования рассмотренных структур для изучения процессов ударной ионизации и создания высокочувствительных фотоэлектрических приборов.

В пятой главе «Тонкопленочные силициды РЗМ и кремниевые поверхностно-барьерные диоды на их основе» изложены результаты исследования процессов формирования, кристаллической структуры, поверхностной морфологии тонкоплёночных силицидов редкоземельных металлов на поверхности кремния, электрических и фотоэлектрических свойств поверхностно - барьерных диодов на основе контакта силицид редкоземельного металла - кремний. Как показали исследования, реакция в твёрдой фазе между кремнием и редкоземельным металлом имеет характерную критическую температуру. Ниже этой температуры Т=623-673К скорость реакции является чрезвычайно малой и образования силицида не наблюдается в течение нескольких часов. Дисилициды диспрозия, гадолиния и иттрия, полученные в результате термообработки плёнки РЗЭ в вакууме при температуре 723К в течение 30 минут, имеют структуру сс-Ос^г. После отжига пленки лютеция на рентгенограмме присутствуют дифракционные максимумы дисилицидной фазы Ьи312 структуры А1Вг и непрореагировавшего металла.

Профили концентраций диспрозия и кремния в структурах Оу312- кремний, полученные методом Оже - электронной спектроскопии, подтверждают наличие фазы дисилицида диспрозия. Оже спектры показывают расщепление ЬУУ - линии кремния, обусловленное химическим взаимодействием и характерное для кремния в силицидах. Видно также, что граница раздела силицид-кремний не является резкой: существует довольно протяжённая область между силицидом и кремнием с переменной концентрацией обеих компонент.

Очевидно, именно эта область и определяет основные электрофизические свойства границы раздела силицид -кремний.

Поверхностная морфология силицидов обычно характеризуется наличием большого числа углублений, размеры которых составляют 3-5 мкм, а их плотность порядка 106 см '2. На фотографиях, полученных с помощью эмиссионного электронного микроскопа ЕР-4@6), наблюдаются тёмные пятна в местах с более слабой эмиссионной способностью, которые соответствуют ямам на поверхности силицида. Данные результаты свидетельствуют о том, что рост силицида РЗМ происходит неравномерно по поверхности плёнки, а начинается в виде изолированных островков, которые затем прорастают в плёнку РЗМ в виде силицидных колонн. Атомы кремния диффундируют через силицидные колонны и вступают в реакцию с оставшимся РЗМ. В процессе пространственно-неоднородной реакции растущие области силицида расширяются и смыкаются между собой. Причинами неравномерного роста силицида, очевидно, могут являться различного рода неоднородности на поверхности кремния (включения природного окисла и др.).

Дисилицидные плёнки РЗМ обладают малой величиной удельного сопротивления р=2 - 4 мкОм-м и практически не царапаются стальной иглой, что свидетельствует о хорошей адгезии силицидной плёнки к поверхности кремния. Низкие значения сопротивления и высокая механическая прочность плёнок силицидов РЗМ свидетельствуют о перспективности использования их для создания барьеров Шоттки, контактов и токоведущих дорожек в интегральных схемах.

Как показали исследования, электрические характеристики ПБС на основе контакта силицида РЗМ с р-кремнием соответствуют почти идеальному барьеру Шоттки. ВАХ диодных структур имеют сильно униполярный вид с коэффициентом выпрямления 104 - 103 . Прямые ветви ВАХ, построенные в координатах 1п I от V прямолинейны, а коэффициент идеальности диодов лежит в пределах 1,06-1,09. Величина плотности обратного тока составляет Ю'4 А/см2 при значении напряжения 10 В. Вольтфарадные характеристики ПБС, измеренные на частоте 300 кГц, линейны в координатах 1/С2 от V, что указывает на равномерное распределение ионизированных примесей и отсут-:твие подлегирования приповерхностной области полупроводника в процессе формирования силицида.

Спектральные зависимости фототока короткого замыкания ПБС с некоторыми силицидами РЗМ, соответствующие области фотоэмиссии дырок из ;илицида в кремний, подчиняются закону Фаулера. Значения высоты потен-щального барьера на контакте с кремнием р- типа, определённые из ВАХ, ЗФХ и спектральных зависимостей фототока, приведены в таблице 4. Видно, 1то на контакте дисилицида РЗМ с р-кремнием реализуются высокие значения

потенциального барьера (ФЬр=0,73-0,75 эВ), которые практически одинаковь) для силицидов различных РЗМ.

Таблица 4

Контакт Фь из ВАХ Фь из ВФХ Фь из 1ф(Тю>) Фьп+ Фьр

эВ

Сс^г-пБ! - 0,41 - 1,16

Сё5]2-р5! 0,67 0,75 0,74

Ву812-п51 - 0,35 - 1,10

Ву812-р81 0,68 0,75 0,75

ЬиБь-пБ! - 0,40 - 1,15

0,68 0,75 -

УБь-пБ! - 0,41 - 1,14

УБь^ 0,66 0,73 -

Величины высоты барьера, полученные из фотоэлектрических зависимостей и ВФХ, хорошо согласуются между собой, что свидетельствует об отсутствии диэлектрического зазора для этого типа контактов, в отличие от системы РЗМ - кремний, в которой роль этого зазора значительна.

Вольтамперные характеристики структур на основе контакта дисилици-да РЗМ с кремнием п-типа проводимости при комнатной температуре соответствуют омическим. Величина переходного контактного сопротивления-Як, измеренная методом переходного контактного сопротивления, для дисилици-дов гадолиния и диспрозия лежит в пределах (0,5 - 1,0)-10'4 Ом-м2. При охлаждении структур до температуры 77К ВАХ приобретает униполярный вид с коэффициентом выпрямления 103; при этом плотность обратного тока достигает значения 50 А/м" при У=-1В и становится возможным исследование вольтфарадных характеристик. Высота потенциального барьера, определённая из ВФХ составляет величину Фь„=0,35-0,41 эВ. Экспериментальные результаты для величин контактного сопротивления удовлетворительно согласуются с расчётными значениями при Фь=0,40 эВ и в 10-50 раз ниже значений Як, полученных для системы алюминий - п - кремний.

Рассчитанные из экспериментальных характеристик значения спектральной чувствительности кремниевых фотодиодов .с плёночными дисили-цидами гадолиния и диспрозия на длине волны 0,63 мкм лежат в пределах 0,25-0,30 А/Вт и сопоставимы с аналогичными параметрами для кремниевых ПБД с плёночным металлическим лютецием и диспрозием. Однако, рассмотренные структуры открывают дополнительные пути создания чувствительных полупроводниковых фотоприёмников.

Таким образом, проведённые исследования показывают перспективность использования силицидов РЗМ для создания поверхностно-барьерных

приборов, омических контактов, фоточувствительных элементов и межэлементных соединений в кремниевых устройствах и интегральных схемах.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Установлено, что свойства ПБД на основе контакта РЗЭ с р-кремнием близки к идеальным барьерам Шотгки, а коэффициент идеальности для различных диодов лежал в пределах п = 1,05 - 1,13. Показано, что к исследуемым контактам в области комнатных температур применима теория термоэлектронной эмиссии.

2. Методами ВАХ, ВФХ, энергии активации и спектральных зависимостей фототока установлено, что высота потенциального барьера в р-Б! ПБД для всех исследованных РЗМ практически совпадает между собой и составляет 0,79 - 0,8 эВ.

3. Показано, что в области контакта РЗМ - ПБД существует переходной

о

диэлектрический слой с толщиной ~ 25 А и плотностью поверхностных состояний, лежащей в пределах от 3,9-Ю11 до 1,1-Ю12 эВ"'см"2..

4. Установлено, что величины ЭДС холостого хода составляют 0,54 В для поверхностно - барьерных фотодиодов на основе контактов йс! -р51 и Ьи -рБь В фотодиодном режиме при напряжении большем 1 В значения спектральной чувствительности достигают 0,46 А/Вт и 0,3 А/Вт, а величины квантовой эффективности равны 90 % и 60 % для диодов на основе контакта вс! -рБ1 и Бу - соответственно.

5. Обнаружено, что поверхностно - барьерные структуры с РЗМ обладают высокой эффективностью преобразования световой энергии в электрическую с КПД, достигающем значения 9,3 %, при оптимальной величине нагрузочного сопротивления в 2 кОм, при этом коэффициент заполнения составляет 0,65.

6. Экспериментально установлено, что для ПБД на основе контактов Ьи - р81 и У -р81 достигнутые значения коэффициента умножения фототока составляли 1200 и 1000 соответственно. Показана перспективность использования ПБД на основе контакта РЗМ - в качестве фотоприёмников и фотодетекторов, обладающих внутренним усилением фототока.

7. Установлено, что зависимости коэффициентов ударной ионизации электронов и дырок в кремнии от напряжённости электрического поля в области (1,6-3,0)-105 В/см удовлетворительно описываются теоретическими зависимостями Баррафа.

8. Показано, что формирование силицида РЗЭ происходит в единственной ди-силицидной фазе при температурах выше 623-673 К. Показано, что плёночные дисилициды диспрозия, иттрия и гадолиния формируются со структурой типа а-Ос^г, а дисилицид лютеция имеет структуру А1В2.

9. С помощью эмиссионного электронного и оптического микроскопов изуче на морфология поверхности плёнок силицидов РЗЭ. Показано, что поверх ностная морфология плёночных силицидов РЗЭ характеризуется наличие; большого числа углублений, размеры и плотность которых составляют 3-мкм и ~106 см"2 соответственно. Установлено, что рост силицида РЗМ на ре альной поверхности кремния осуществляется неравномерно по поверхност: плёнки РЗМ и происходит путём диффузии атомов кремния.

10. Установлено, что на контакте дисилицида РЗМ с кремнием р-типа прово димости реализуются большие величины потенциального барьера (0,730,75 эВ), которые практически одинаковы для силицидов различных РЗМ.

11. Определены значения высоты потенциального барьера на контакте сили цида РЗМ с п-кремнием (0,35-0,41 эВ). Установлено, что контакт дисилици да РЗМ с n-Si при комнатной температуре омический, а величина его пере ходного контактного сопротивления составляет (0,5 -1)-10~* Ом-м2.

12. Показана перспективность использования тонкоплёночных силицидо: РЗМ для создания поверхностно-барьерных приборов, омических контакто: к кремнию, фоточувствительных элементов и межэлементных соединений ] кремниевых приборах и элементах интегральных схем.

СПИСОК РАБОТ,ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1.Милюткин Е.А., Рожков В.А. Образование пленок силицидов РЗМ и свойства границы раздела силицид - кремний // Микроэлектроника. 1985. Т. 14, № 1.С. 50-54.

2. Милюткин Е.А., Рожков В.А. Образование и свойства пленок силицидо: редкоземельных металлов на поверхности кремния // Электрон, техн Сер. Материалы. 1984. В. 5 (190). С. 17 - 19.

3. Милюткин Е.А., Рожков В.А. Электрофизические свойства границы раздел« силицид РЗМ - кремний // Тез. VIII совещания Физика поверхностных явле ний в полупроводниках. Часть 2. 1984. Киев. С. 46 - 47.

4. Милюткин Е.А., Рожков В.А. Свойства границы раздела силицид РЗМ ■ кремний И Тез. докл. IX Всесоюз. симпоз. "Электронные процессы на поверх' ности и в тонких слоях полупроводников". Часть 2. 1988. Новосиб. С. 81.

5. Милюткин Е.А., Рожков В.А. Свойства тонкопленочных силицидов РЗЭ i их применение в элементах микросхем // Тез. докл. Школы по актуальным во' просам физики и химии соединений на основе РЗЭ. 1989. Красноярск.

С. 39-40.

6. Милюткин Е.А., Рожков В.А. Тонкопленочные силициды РЗЭ, их свойстве и применение в микроэлектронике // Тез. докл. V Всесоюз. конф. по физике * химии редкоземельных полупроводников. 1990. Саратов. С. 91.

7. Милюткин Е.А., Рожков В.А. Поверхностно - барьерные диоды на основе контакта РЗМ - кремний, их свойства и применение И Тезисы докл. III Всесо-

юз. научно - техн. семинара "Пути повышения стабильности и надежности микроэлементов и микросхем ". 1984. Рязань. С. 67 - 68.

8. Милюткин Е.А., Рожков В.А. Фотоэлектрические свойства поверхностно -барьерных диодов на основе контакта РЗМ - кремний р - типа // Тезисы докл. III Всесоюз. научно - техн. семинара "Пути повышения стабильности и надежности микроэлементов и микросхем ". 1984. Рязань. С. 69 - 70.

9. Рожков В.А., Милюткин Е.А. Электрические и фотоэлектрические свойства поверхностно - барьерных диодов на основе гадолиний - р - кремний // Электрон. техн. Сер. 2. П/п-ые приборы. 1984. Вып. 3 (169). С. 16 - 19.

10. Милюткин Е.А., Рожков В.А. Лавинное умножение фототока в структурах с барьером Шоттки на основе контакта диспрозий - кремний // Физика и техника полупроводников. 1984. Т. 18, № 8. С. 1455 - 1457.

11. Милюткин Е.А., Рожков В.А. Свойства поверхностно - барьерных диодов на основе контакта диспрозий - кремний // В сб. Физика структуры и свойства твердых тел. 1984. Куйбышев, Куйб. госуниверситет. С. 164 - 167.

12. Рожков В.А., Милюткин Е.А. Фотоэлектрические свойства поверхностно-барьерных диодов на основе контакта редкоземельный элемент - кремний // Электрон, техн. Сер. 2. П/п-ые приборы. 1987. Вып. 2 (187). С. 38 - 43.

13. Милюткин Е.А., Рожков В.А., Кочетков В.Ю. Механизм токопрохождения в контакте металл - низкоомный карбид кремния // Депонир. ЦНИИ "Электроника". № 8932/83. Реферат опубл. в МРС ВИМИ "Техника, технология, экономика". № 21. 1983. сер. "ЭР".

14. Милюткин Е.А., Рожков В.А. Высота потенциального барьера на контакте кремний - редкоземельный металл // Депонир. в ЦНИИ "Электроника" № 9153/84. Реферат опубл. в МРС ВИМИ "Техника, технология, экономика".^» 35. 1983. сер. "ЭР".

15. Милюткин Е.А., Рожков.В.А., Кочетков В.Ю. Механизм токопрохождения в контакте металл - низкоомный карбид кремния // Физика и техника полупроводников. 1983. Т. 17, № 4. С. 760.

16. Рожков В.А., Милюткин Е.А., Петров А.И. Высокоэффективные кремниевые фотодиодные структуры на основе окисных пленок индия - олова // Электрон. техника. Сер. 2. Полупров. приборы. 1983. Вып. 7 (166). С. 22 - 24.

17. Рожков В.А., Милюткин Е.А., Петров А.И. Влияние толщины слоя смешанного оксида индия-олова на спектральные характеристики фотоэлектрических преобразователей со структурой In203/Sn02-p+Si-nSi // Гелиотехника. 1988. №5. С. 21 -23.

18. Милюткин Е.А., Рожков В.А. Высота потенциального барьера на контакте кремний - редкоземельный металл // Физика и техника полупроводников. 1984. Т. 18, № 2. С. 389.

Подписано к печати 24.12.97. Формат 60x84 1/16. Обьем 1,0 п.л. Тираж 100 экз. Бумага офсетная. Печать офсетная. Издательство "Самарский университет". 443011, Самара, ул. Акад. Павлова, 1