Электронный перенос по примесной зоне при эффекте поля в слабокоапенсированном кремнии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РГ6 од

На правах рукописи

ГАЙВОРОНСКИИ Алексей Григорьевич

ЭЛЕКТРОННЫЙ ПЕРЕНОС ПО ПРИМЕСНОЙ ЗОНЕ ПРИ ЭФФЕКТЕ ПОЛЯ В СЛАБОКОМПЕНСИРОВАННОМ КРЕМНЖ

01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук

Фрязино - 1995

Работа выполнена в Институте Радиотехники и Электроники РАК.

Научный руководитель:

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

доктор физико - математических наук, профессор А. Г. Ждан

кандидат физико-математических наук, ст. н. с. А. С. Веденеев

доктор физико - математических наук, профессор В.А.Гергель

кандидат физико-математических наук, ст. н. с. П. И. Перов

Ведущая организация: Институт молекулярной физики Российского Научного Центра "Курчатовский институт"

Защита диссертации состоится 29 июня 1995 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета К. 002.74.01 в Институте радиотехники и электроники РАН по адресу: 141120, Московская обл. , г. Фрязино, пл. акад. Введенского, 1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ РАН.

Автореферат разослан 29 мая 1995 г.

Ученый секретарь Специализированного совета кандидат физико-математических наук

И

И. И. Чусов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последнее время уделяется повышенное внимание изучению электронных свойств полупроводников с высоким уровнем легирования £1,2]. Прежде всего это связано с потребностями полупроводниковой электроники, идущей по пути создания сверхбольших интегральных схем (СБИС) С33. Законы масштабной миниатюризации (scaling) диктуют необходимость увеличения уровня легирования активных областей приборов, составляющих СБИС. Так, концентрация примесей в подложке кремниевого полевого транзистора (Si МОП ГГГ) с длиной затвора < 1мкм должна составлять ^ Ю см для ограничения влияния короткоканальных эффектов [41.

Лругое важное обстоятельство, послужившее толчком к интенсивному изучению транспортных и фотоэлектрических свойств слоев легированного слабокомпенсированного кремния, связано с созданием нового класса фотоприемников - структур с блокированной проводимостью по примесной зоне (В1В-структур) [5], в фотопроводимости которых существенную роль играют процессы перезарядки примесей в поверхностном слое легированного Si при эффекте поля.

Взаимодействие примесей весьма существенно сказывается на транспортных свойствах полупроводников. Основным направлением исследований в этой области является изучение эффектов, связанных с проявлением локализации носителей заряда, типичным примером которой является переход металл-диэлектрик в примесных полупроводниках при уменьшениии концентрации легирующей примеси С 6]. При этом остается до конца не выясненной структура нижней и, особенно, верхней, образованной D ~ или А + - состояниями мелких примесей, зон Хаббарда; практически не изучено влияние на нее внешнего

электрического поля и флуктуация потенциала, возникающих при изменении зарядового состояния примесей. К недостатку большинства работ, посвященных исследованиям проводимости по примесным зонам, можно отнести невозможность в ходе эксперимента менять соотношение между заполненными и пустыми состояниями в зоне. Исключением' являются лишь исследования проводимости по двумерной примесной зоне, индуцированной ионами в инверсионном канале кремниевых МОП транзисторов [7]. Однако в этом случае плотность состояний в примесной зоне слабо зависит от степени ее заполнения, поскольку она определяется, главным образом, полями зарядов, хаотически расположенных в окисле. Иная картина должна наблюдаться при перезарядке примесей посредством эффекта поля в слоях легированных слабокомпенсированных полупроводников, структура примесных зон которых определяется корреляциями в распределении примесей [1]. Очевидно, что разрушение или возникновение таких корреляций при изменении заполнения состояний примесной зоны будет приводить к существенному изменению как структуры зоны, так и характера электронного переноса по ней.

Целью настоящей работы является экспериментальное исследование структуры и транспортных свойств примесной зоны легированного бором слабокомпенсированного кремния при контролируемом изменении заполнения примесных центров посредством эффекта поля.

В этой связи были поставлены и решены следующие задачи: -разработан и реализован универсальный автоматизированный измерительный комплекс для исследования кинетических характеристик проводящих каналов на поверхности полупроводников в широком диапазоне экспериментальных условий;

-изучены особенности низкотемпературного переноса носителей

заряда в ионко-имплантированных слоях Б!: В с высоким уровнем

яегягюзання;

-исследован механизм формирования области пространственного заряда в легированном слабокомпенсированном полупроводнике при низкой температуре;

-выявлены факторы, определяющие энергию активации прыжковой проводимости при эффекте поля в слабокомпенсированном кремнии;

-определены природа а роль флуктуаций потенциала в низкотемпературном эффекте поля;'

-проанализированы эффекты, определяющие низкотемпературный порог проводимости канала обогащения на поверхности кремния с высоким уровнем легирования.

Научная новизна. При обеднении поверхности слабокомпенсиро-ванного кремния основными носителями заряда обнаружен канал прыжковой проводимости, возникающий в области пересечения уровня легирующей примеси с уровнем Ферми и имеющий толщину порядка межпримесного расстояния. Механизм переноса по этому каналу принципиально отличается от известных механизмов переноса по трехмерным и двумерным примесным зонам тем, что энергия активации проводимости определяется электрическим полем области пространственного заряда и уменьшается с повышением уровня легирования полупроводника.

Показано, что эффект поля в примесной зоне ведет к ее ушире-нию, связанному с генерацией флуктуационного потенциала при ионизации легирующей примеси.

Обнаружен дополнительный порог проводимости дырочного канала обогащения, возникающий при низких С< 20Ю температурах и связанный с перезарядкой примесных А+- состояний.

Практическая ценность. Полученные сведения о характере фор- -мирования области пространственного заряда при низкой температуре, о новом механизме прыжкового переноса, об'эволюции структуры примесной зоны и ее роли в кинетических характеристиках слоев легированного кремния важны при моделировании работы приборов, составляющих СБИС, особенно в области криогенных температур. Установленные закономерности прыжковой проводимости необходимо учитывать при создании BIB - структур, в которых проводимость по примесной зоне активного слоя определяет основные характеристики фотоприемников.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. При обеднении поверхности дырочного кремния основными, носителями заряда возникает дополнительный канал прыжкового переноса по акцепторным примесям с постоянной длиной прыжка. Канал формируется при пересечении уровня акцепторов с уровнем Ферми в переходной области, разделяющей ионизированные и нейтральные атомы примеси.

2. Энергия активации прыжковой проводимости по дополнительному каналу определяется электрическим полем области пространственного заряда, формируемой отрицательно заряженными 2 - комплексами; уменьшается с повышением уровня легирования полупроводника и существенно зависит от степени компенсации.

3. Эффект поля в примесной зоне слабокомпенсированного кремния ведет к ее уширению вследствие генерации флуктуационного потенциала при заполнении состояний легирующей примеси.

4. Появление дополнительного низкотемпературного порога проводимости дырочного канала обогащения обусловлено перезарядкой А+- состояний акцепторной примеси, причем величина порогового

напряжения определяется эффектом квантования дырочного газа.

. Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на отраслевом семинаре "Физические процессы в элементах ИС" СЗеленоград, 1992), на I Российской конференции по физике полупроводников СНижний Новгород, 19933, на I Международной конференции "Physics of Low-Dimensional Structure" (Chernogolovka, 1993) и семинарах ИРЭ РАН.

Публикации. По результатам диссертации опубликовано 8 печатных работ. Список трудов.приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 3 глав и заключения. Ее объем составляют 77 страниц текста, 15 рисунков и список литературы из 57 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы диссертации, сформулированы цель работы и основные положения, выносимые на защиту. Охарактеризовано распределение материала по главам.

Диссертация не содержит отдельной глазы, посвященной обзору литературных источников по теме работы. Необходимые обзорные сведения приводятся непосредственно по ходу изложения материала.

Первая глава посвящена описанию экспериментально- методического аппарата исследования кинетических характеристик каналов инверсии и обогащения на поверхности полупроводников.

В § 1.1 приведено описание созданной в ходе выполнения работы автоматизированной экспериментальной установки и обсуждаются особенности ее измерительной части. Источником напряжения смещения полевого электрода V служит 20-ти разрядный ЦАП, позволяющий

задавать Vg с дискретностью 10 "6В в диапазоне 0 -г С г) 10 В или Св аналоговом режиме) низкочастотный генератор Г6-28, осуществляющий

о

развертку треугольными импульсами напряжения с периодом < 10* с. Напряжение в цепи исток-сток V ^ задается формирователем, выполненным по схеме инвертирующего усилителя с малым С^Ю'^Ом) выходным сопротивлением, что позволяет перекрывать широкий динамический диапазон изменения проводимости сг каналов. Измерение постоянного тока осуществляется преобразователем ток-напряжение СПТН) с помощью ЭЦВ Щ-300 СЮ "10-г10 ~3А) или электрометром В7-30 СЮ"15* 10 _9А). При измерении сг на переменном токе СЮ "12-г 10 А) ГТГН подключается ко входу селективного усилителя УПИ-2, осуществляющего синхронное детектирование сигналов в диапазоне частот 10 + Ю5 Гц. Емкость цепей затвор - исток, сток, подложка измеряется на частоте fg тест-сигнала из указанного выше диапазона при помощи ПТН с емкостной нагрузкой в цепи обратной связи, выбираемой из условия: [CR С ) « 2л f_] и последовательно подключенного УПИ,

ос ос у

выходной сигнал которого регистрируется ЭЦВ Щ-300 или подается на У-усилитель 2-х координатного самописца. В этом случае реальная ширина шумовой дорожки отвечает 3 фф.

Система управления экспериментом, сбора, обработки, представления и хранения экспериментальных данных выполнена на базе IBM PC и комплекта интерфейсов в стандарте КАМАК.

Раздел 1.2 посвящен описанию криогенной части установки. Она включает вакуумный газопроточный криостат - приставку к гелиевому или азотному дьюару и электронный регулятор температуры. Температура образца, измеряемая тонкопленочным железо-родиевым термометром сопротивления, задается в диапазонах 6 -г 300 К или 77 -г 370 К с точностью не хуже 1 У. при использовании в качестве жидкого хлад-

агента гелия или азота соответственно.

. Результаты апробации экспериментальной установки на серийных $1 МОП транзисторах с р-каналом инверсии представлены в § 1.3. Здесь также описана методика спектроскопии границы раздела (ГР) полупроводник - диэлектрик промышленных МДП транзисторов, основанная на комбинации методов эффекта поля и "расщепленных" вольт-фарадных характеристик СВФХЗ. По зависимости электропроводности канала от потенциала затвора определены НЧ ВФХ ГР и функция плотности пограничных состояний в интервале энергий, примыкающем к краю зоны неосновных носителей заряда. Полученные данные согласуются с известными результатами независимых исследований ГР 51-3102- Дополнительные измерения ВФХ позволили оценить паразитные емкости между затвором и областями истока и стока и установить факт изменения эффективной длины канала с напряжением на затворе. Подчеркивается, что неучет последнего обстоятельства может приводить как к количественным ошибкам экспериментов, так и к физически неверным заключениям, некоторые из которых показаны в следующей главе

Вторая глава посвящена изучению эффекта поля в слоях слабо-компенсированного р - кремния при низкой температуре.

В § 2.1 описываются объекты исследований - кремниевые МОП транзисторы с каналом обогащения. Слой р - 51 с концентрацией акцепторов N =.. 1015-г 1018 см"3, снабженный двумя р+ -контактами и имеющий толщину б = 0.5 мкм, формировался на п-Б1 подложке с кон-

1 4 -3

центрацией доноров N = 5x10 'см ионной имплантацией бора.

с

Поликремниевый полевой электрод с размерами 100 х 100 мкм изолировался слоем термического окисла БЮд толщиной бд = 62 нм.

В разделе 2.2 приводятся результаты исследования зависимое-

тей сгСТ) образцов с различным уровнем легирования р - слоя при напряжениях на затворе, соответствующих режиму плоских зон. Анализ полученных энергий активаций говорит об отсутствии концентрационной зависимости Ед ) во всем исследуемом диапазоне = 1Я 1А Я

10 д-г 10 см . Этот вывод противоречит результататам работы £8], где была получена сильная зависимость ^ ) из вольт-фарадных характеристик аналогичных образцов. Показано, что влияние паразитных емкостей, которые по оценке составляют ~ 10 %, может приводить к существенному занижению значений Ед. Кроме того, наблюдение в зависимости сгСТЭ для наиболее легированных образцов участка е^ - проводимости говорит о необходимости учета эффектов, связанных с проявлением примесной зоны.

В § 2.3 приведен краткий обзор работ по изучению электронных свойств примесной зоны легированного полупроводника в случае малой степени компенсации; обсуждается роль кулоновских корреляций и крупномасштабного потенциала в формировании ее структуры, приводятся основные экспериментальные сведения о прыжковой проводимости. Подчеркивается, что на сегодняшний день существует лишь несколько теоретических работ, посвященных изучению эффекта поля в примесной зоне, причем в них не затрагиваются вопросы, связанные с эволюцией структуры примесной зоны и флуктуационного потенциала при изменении зарядового состояния примесей. В связи с этим экспериментальное изучение эффекта поля в реальных транзисторных МОП структурах со сформировавшейся примесной зоной представляет особый интерес.

Результаты таких исследований представлены в § 2.4. На рис. 1 приведены типичные полевые зависимости сг(У^) для образца с Ид= 1.2x10 18см "Зпри Т > 6 К. Поведение кривых в области Т >20 К

Г I

Рис. 1

отвечает классическим представлениям о природе монотонного спада а, обусловленного уменьшением поверхностной концентрации основных носителей заряда и расширением с ростом слоя обеднения полупроводника. При Т < 20 К зависимость сгС Уд3 имеет существенно иной характер. В области перехода от режима обогащения к режиму обеднения поверхности основными носителями заряда на кривых стСУ^] проявляется минимум, сопровождающийся выходом проводимости на

50 100 150

1000/Т (К-1)

Рис. 2.

о нейтральные акцепторы е ионизированные акцепторы © ионизированные доноры

Рис.3.

плато при > 2 В. Такая закономерность свидетельствует о смене механизма переноса от свободного движения дырок в валентной зоне (режим обогащения) к прыжковому электронному транспорту по локализованным состояниям акцепторов Срежим обеднения).

Анализ температурной зависимости проводимости в условиях плоских зон о СТ) С рис. 2) показывает, что в области Т ^ 20 К проводимость сг ^ СТ) обнаруживает участок с постоянной энергией активации ^9.5 мэВ, близкой к энергии активации £д прыжковой проводимости массивного кремния с тем же уровнем легирования. Следовательно проводимость в этих условиях осуществляется путем перескоков электронов с концентрацией п < N с « N между атомами акцепторов Сбора).

Для объяснения роста проводимости с Уд при Уд> У^ развита качественная модель, исходящая из представлений об образовании дополнительного канала прыжковой проводимости в переходной области Срис.З, обл. II), разделяющей ионизированные и нейтральные атомы бора. Проводимость такого канала осуществляется путем термоактивированных переходов электронов с ионизированных акцепторов на граничащие с ними нейтральные атомы бора и определяется как разность между текущим значением сг и электропроводностью структуры в состоянии "плоских зон":

°с = - °ГЪ Ш

Температурная зависимость сг из области насыщения кривых

аСУ_) приведена на рис.2. Вйдно, что при 6 К < Т < 16 К имеет

У ^

постоянную энергию активации ес = 1.6 мэВ и, следовательно, осуществляется преимущественно прыжками электронов между ближайшими соседями Си. По данным рис. 2 нетрудно оценить ширину переходной

области <5, определяющей проводимость стс. Учитывая, что при Т —► оо отношение находим 6 ^ 5 нм; это значение близко к

среднему расстоянию между атомами легирующей примеси К, = СЗ/4лНд)1/3 =5.8 нм. Следовательно в данном случае состояния, ответственные за прыжковый перенос, распределены в энергетической полосе V/ ^ цГО ~ сгП^ , где Г- электрическое поле в области пересечения уровня Ферми с энергетическим уровнем бора. Согласно [1], энергия активации проводимости с постоянной длиной прыжка близка к V, поэтому

* ~ V/ ^ чЕИ.. С2)

С А

Оценка величины К, определяющей энергию активации ес , получена из решения уравнения Пуассона с учетом корреляций пространственного расположения заряженных доноров и акцепторов. Согласно [1] в слабокомпенсированном р - полупроводнике при низких температурах электроны на акцепторных состояниях связаны в 0-, 1- и 2-комплексы, включающие положительно заряженные атомы компенсирующих доноров. При этом уровень Ферми и расположен ниже уровня

о

невозмущенной примеси бора: ц= £3- 0.61<г/*КА(* - диэлектрическая проницаемость 813. Поскольку положительно заряженный, донор не может связать более двух электронов, увеличение электронной концентрации вследствие эффекта поля будет сопровождаться превращением 0 - и 1- комплексов в 2 - комплексы, максимальная концентрация которых ограничена сверху величиной N с С обл.III на рис.3). Следовательно область пространственного заряда (ОПЗ) при низких температурах в режиме обеднения формируется преимущественно отрицательно заряженными 2 - комплексами, концентрация которых при увеличении изгиба зон возрастает до N и остается постоянной

вплоть до пересечения уровня бора с уровнем Ферми. В приближении Шоттки имеем:

Г = С8яНсц/*)1/2 =! 2x1О3 В/см. СЗЗ

Подставляя СЗ) в (2), находим: е^ ^1.2 мэВ, что хорошо согласуется с экспериментально найденным значением 1.6 мэВ.

Разумное согласие между расчетным С1.6 мэВ) и экспериментальным С2.3 мэВЗ значениями ес имеет место и для образцов с кон-

17 -Я

центрацией акцепторов 1.3x10 см г

Таким образом в условиях эффекта поля в 51: В проявляется концентрационный переход к проводимости с постоянной длиной прыжка по состояниям вблизи уровня Ферми, принципиально отличающейся от прыжковой проводимости в массивных полупроводниках тем, что ее энергия активации определяется электрическим полем ОГО, а не полями хаотически распределенных заряженных центров. Следствием этого обстоятельства является заметное влияние на величину ес степени компенсации К = N„/11.:

О А

£с а V1'6 = V'3 К1'2 , С4)

тогда как в массивных слабокомпенсированных полупроводниках с3 от К практически не зависит.

Природа флуктуаций потенциала СФП) и их роль в эволюции структуры примесной зоны обсуждаются в § 2.4. Поскольку наблюдаемая в эксперименте область формирования е - канала растянута по оси Уд гораздо сильнее чем это следовало бы ожидать из модели ■ однородной примесной зоны, а напряжение формирования дополнительного канала проводимости соответствующего выходу а_су_) на

у ^ у

плато Срис.1), непосредственно,коррелирует с уровнем легирования, можно сделать вывод об изменении структуры примесной зоны при

перезарядке примесных центров эффектом поля. В частности, генерация ФП при ионизации атомов бора ведет к расширению энергетической полосы характеризующей примесную зону вблизи максимума ее плотности. При этом о"с возрастает до тех пор, пока все состояния примесной зоны на поверхности не опустятся под уровень Ферми, поскогъку в этом случае число состояний в области пересечения зоны с уровнем Ферми достигает максимума. С учетом уширения примесной зоны дается оценка потенциала полевого электрода V*, соответствующего выходу сг_(У_) на плато (рис. 1). Полученный результат ь я

(V* = 0.4 В для N = 1.3х1017 см ~3 и V* = 2.0 В для N = 1.2x10 19

У А У А

см ~3) хорошо согласуется с экспериментально найденными значениями 0.5 и 2.5 В соответственно.

В третьей главе рассмотрены явления низкотемпературного переноса носителей заряда в каналах обогащения 31 МОП ПТ с высоким уровнем легированием подложки.

В § 3.1 приводятся экспериментальные полевые зависимости проводимости ст(Уд) дырочных каналов обогащения МОП ПТ с кон-

17 1 Я —'Ч

центрацией акцепторов 10 -¡-10 см . С понижением температуры кривые сСУд) обнаруживают дополнительный порог проводимости У^ (рис.1). Такой характер низкотемпературной проводимости мог бы быть связан с вымораживанием дырок в обогащенном слое на флуктуа-ционных поверхностных состояниях, индуцированных встроенными в окисел зарядами [91. В этом случае для объяснения увеличения порогового напряжения с понижением температуры до 6 К (ДУ^ 2 В и ДУ1 ^ 0.5 В для образцов с Ид= 1.2x10 18см "Зи ИА= 1.3x10 17см "3

соответственно) необходимо сделать предположение о присутствии в

12-2 11-2 окисле заряда плотностью п^ 10 см и п^ 10 см соответственно. Однако анализ ВФХ исследуемых структур дает не зависящую

от уровня легирования подложки плотность заряда в диэлектрике 10 -2

п^ 4x10 см , объясняющую лишь первый порог в области слабооткрытого канала. Поэтому следует искать иные возможные причины возникновения дополнительного порога проводимости. Одной из них является проявление квантования дырочного газа при низкой температуре. В частности, для каналов инверсии известен эффект возрастания величины V ^ с повышением уровня легирования, связанный с увеличением энергии квантового уровня нижней подзоны. Однако случай обогащения существенно отличается от случая инверсии. Следуя результатам § 2.3, ОПЗ в режиме обогащения при низкой температуре должна формироваться положительно заряженными 0 - комплексами с максимальной концентрацией и слабо зависеть от уровня легирования Ид, что противоречит эксперименту.

В этой связи в § 3.2 рассмотрено влияние структуры примесной зоны на характер наблюдаемой зависимости .

Известно, что в легированных слабокомпенсированных полупроводниках при низких температурах может оказаться существенным

процесс захвата основных носителей заряда на нейтральные атомы

С

легирующей примеси Сдоноры или акцепторы), приводящий соответственно к образованию й "или А центров. Вследствие малой энергии связи носителя с нейтральным центром и, соответственно, большого радиуса волновой функции Са^- 4.2ад, ад - боровский радиус основного состояния примеси), эти состояния формируют примесную 0~СА+) - зону (верхнюю зону Хаббарда) и оказываются делокализо-ванными при концентрациях примеси N заметно меньших критической

о

концентрации Мм, отвечающей переходу Мотта (И > 2x10 -К^. В этой связи рассматриваются основные представления о структуре и транспортных свойствах А+- зоны. В заключение отмечается, что

поскольку концентрация ¿'-•состояний равна N. и при обогащающих

А

изгибах зон эти состояния должны заполняться дырками, то эффект поля в А*- зоне должен приводить к появлению дополнительного, зависящего от N. порога проводимости в режиме обогащения. .

А

Анализ экспериментальных данных с этих позиций приводится в б 3.3. Предполагается, что появлению дырок в валентной зоне предшествует заполнение А* - состояний, сопровождающееся резким возрастанием электрического поля на поверхности что, в свою очередь, усиливает квантовые эффекты. Для возникновения дырочного канала обогащения необходимо, чтобы уровень Ферми приблизился к потолку квантовой подзоны. При этом изгиб зон в слое ОПЭ. сформированного при заполнении А+- зоны:

6ч> = (2ядг/*Эр|/НА (5)

должен совпадать с энергией квантового уровня:

с0 = СЛ2/2пО 1/3 I С^/8)чЕд) ]2/3, СбЭ

где р5 - плотность заряда в А+- зоне, а Е3 = С4тгч/*)р3 - электрическое поле на поверхности 81. Приравнивая С5) и (6). находим Р3 и величину порогового напряжения V 4л<тодс^//эц3 (*д - диэлектрическая проницаемость БК^). Для исследованных образцов с уровнем легирования Нд= 1.3x10*7 и 1.2х1О10 см"3 получаем рд ^ 1.5x10 11; 8.1x10*1 см"^ и У^ 0.4; 2.2 В соответственно, что хорошо согласуется с экспериментальными значениями У^ Срис.1).

Дополнительным аргументом в пользу рассматриваемой модели является оценка величины подвижности эффекта поля в области заполнения К - состояний. Наблюдаемый экспериментально линейный участок зависимости о-СУд) в допороговой области имеет наклон, пропорциональный подвижности дырок в А+- зоне. Так. например, в

образце с 2г 1.2x10*9 см ~3 при Т = 6 К эффективная подвижность дырок, Cdar/dVg)C47тclQ/J^g) л ц см^/В'с. близка к известному значению подвижности в К - зоне О 13 см^А«с). найденному по температурной зависимости проводимости 81: В с тем же уровнем легирования.

Таким образом можно заключить, что мы впервые непосредственно в опыте наблюдали заполнение А*- состояний в. равновесных условиях, что и является причиной обнаруженных особенностей формирования дырочного канала обогащения при низкой температуре.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана и реализована автоматизированная, установка для исследования кинетических характеристик проводящих каналов на поверхности полупроводников в широком диапазоне экспериментальных условий.

2. Показана ограниченность применения метода вольт-фарадных характеристик к исследованию реальных объектов конечных размеров, когда существенную роль играют эффекты паразитных емкостей. Предложена процедура устранения таких эффектов, позволяющая по зависимости электропроводности инверсионного канала от потенциала затвора определять низкочастотную вольт-фарадную характеристику МЯЛ-транзистора и применять к ней методы анализа НЧ ВФХ, развитые для ШШ-структур.

3.. Обнаружено, что при обеднении поверхности слабокомпенси-рочанного 81:В СЫВ= 10 17-г10 13см ~3) основными носителями заряда возникает дополнительный канал прыжкового переноса по акцепторным

примесям с постоянной длиной прыжка. Канал формируется при пересечении уровня акцепторов с уровнем Ферми в переходной области, разделяющей ионизированные и нейтральные атомы примеси.

4. Показано, что энергия активации прыжковой проводимости по дополнительному каналу определяется электрическим полем области пространственного заряда; увеличивается с понижением уровня легирования полупроводника и/или с возрастанием степени компенсации.

5. Развита физическая модель экранирования внешнего электрического поля примесной зоной в слабокомпенсированном кремнии при низкой температуре. В режиме обеднения ОПЗ в формируется отрицательно заряженными 2-комплексами, концентрация которых при увеличении изгиба зон возрастает до концентрации компенсирующей примеси и остается постоянной вплоть до пересечения уровня основной примеси с уровнем Ферми.

6. Обнаружено уширение примесной зоны слабокомпенсированного кремния в условиях эффекта поля вследствие генерации флуктуацион-ного потенциала при заполнении состояний легирующей примеси неосновными носителями заряда.

7. В режиме обогащения поверхности 31: В О^ = 10*7+10*8 см основными носителями заряда возникает второй, низкотемпературный порог проводимости дырочного канала, причем величина порогового напряжения возрастает с увеличением уровня легирования.

8. Особенности формирования низкотемпературного канала обогащения определяются заполнением А+- состояний акцепторной примеси при существенной роли квантования дырочного газа.

Публикации по теме диссертационной работы 1. Веденеев A.C., Гайворонский А.Г., Ждан А.Г. Универсальный

автоматизированный измерительный комплекс для исследования кинетических характеристик каналов инверсии и обогащения на поверхности полупроводников. // ПТЭ 1992, N 2, с.246-250.

2. Веденеев А. С. , Гайворонский А.Г., Ждан А. Г. Определение электронных характеристик границы раздела полупроводник- диэлектрик по полевым зависимостям электропроводности и емкости инверсионных каналов МДП транзисторов. // ФТП 1992, т.26, в.12, с. 20172023.

3. Веденеев А. С., Гайворонский А. Г., Ждан А. Г., Моделли А., Рыльков В. В., Ткач Ю. Я. Концентрационный переход к проводимости с постоянной длиной прыжка по состояниям вблизи уровня Ферми при эффекте поля в слабокомпенсированном Si: В. // Письма в ЖЭТФ 1993, т. 57, в. 10, с. 641-645.

4. Vedeneev A.S. , Gaivoronskii A. G. , Zhdan A. G., Modelli A., Ryl'kov V. V. , Tkach Yu.Ya. Revealing of nearest-neighbour hopping conductance channel over states near the Fermi level in impurity band of weakly compensated Si: B.// Phys. Low - Dimension. Structures 1994, № 4/5, p.37-42.

5. Vedeneev A.S. , Gaivoronskii A.G. , Zhdan A.G., Ryl'kov V.V., Tkach Yu.Ya., and Modelli A. Field effect in weakly -compensated Si under condition of impurity conduction. // Appl. Phys. Letters 1994, v. 64, W 19, p. 2566-2568.

6. Веденеев А. С., Гайворонский А. Г. Ждан А. Г., Моделли A., Рыльков В.В., Ткач Ю. Я. Эволюция примесной зоны при низкотемпературном эффекте поля в слабокомпенсированном кремнии с высоким уровнем легирования.// Письма в ЖЭТФ 1994, т.60, в.6, с.457-461.

7. Веденеев А. С., Гайворонский А. Г. , Ждан А. Г., Рыльков В.В., Ткач Ю.Я. Эффект поля в слабокомпенсированном кремнии в

условиях проводимости по примесной зоне.// Тезисы докладов. 1 Всероссийская конф. по физике полупроводников. - Н.Новгород 1993, т. 1, с. 108.

8. Vedeneev A. S. , Gaivoronskii A.G., Zhdan A.G. , Modelli A. , Ryl'kov V. V. , Tkach Yu. Ya. Revealing of nearest-neighbour hopping conductance channel over states near the Fermi level in impurity band of weakly compensated Si:B.// Proc. of the 1 Intern. Conf. "Physics of Low-Dimensional Structures". Chernoqolovka, 1993, p. 128.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Шкловский Б. И., Эфрос А, Л. Электронные свойства легированных полупроводников.- М.: Наука. 1979.

2. Мотт Н. , Дэвис Э. Электронные процессы в некристаллических веществах.- М.: Мир. 1982.

3. Ферри Д. , Эйкерс Л. , Гринич Э. Электроника ультрабольших интегральных схем. - М.: Мир. 1991.

4. Fieqna С. et.al. // IEEE Electron Device 1994, v. 41, N 6, p. 941.

5. Petroff M.D. , Stapelbroek M.G. and Kleinhans W. A.// Appl. Phys. Lett. 1987, v. 51, p. 406.

6. Мотт H. Ф. Переходы металл-изолятор. - M.: Наука. 1979.

7. Hartstein A. and Fowler А.В. // Phys. Rev. Lett. 1975, v. 34. , N 34, p. 1435.

8. Manzini S. and Modelli A. // J. Appl. Phys. 1989, v.65, W 6, p.2361.

9. Гергель В. А., Шпатаковская Г. В. // 1ЭТФ 1992, т.102, вып. 2С8), с. 640.

Подписано в печать 18,05.1995 г. Формат 60x84/16.

Объем I.I6 усл.п.л. Тираж 100 экз. Ротапринт ИРЭ РАН. Зак.П9.