Исследование электрофизических и оптических характеристик кремниевых МОП структур с туннельно-тонким диэлектриком тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

□030Б7043

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. А.Ф.ИОФФЕ

На правах рукописи

ВЕКСЛЕР Михаил Исаакович

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ И ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КРЕМНИЕВЫХ МОП СТРУКТУР С ТУННЕЛЬНО-ТОНКИМ ДИЭЛЕКТРИКОМ

специальность 01.04.10 - физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Санкт-Петербург 2006

003067043

Работа выполнена в Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе РАН.

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук профессор

Воробьев Л.Е.

Доктор технических наук, профессор

Лучинин В.В.

Доктор физико-математических наук, профессор

Новиков Б.В.

Ведущая организация:

Институт радиотехники и электроники (ИРЭ) РАН, г. Москва.

дании диссертационного совета Д 002.205.02 при Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе РАН (194021, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 26).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН.

Отзывы об автореферате в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба высылать по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан 200?. г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук,

Защита состоится

» 45 » убрала 200 7 г. в 40

час. на засе-

профессор

Общая характеристика работы

Настоящая работа, выполненная в период с 1992 по 2006 г., посвящена комплексному исследованию электрических и оптических (люминесцентных) свойств туннельных МОП структур.

Под "туннельной МОП структурой" понимается система Металл-Окисел-Полупроводник (Б!), протекание заметного сквозного тока в которой может быть обеспечено за счет прямого кван-товомеханического туннелирования носителей через барьер тра-пецоидальной формы, создаваемый запрещенной зоной БЮг. Толщина слоя окисла для этого должна составлять менее 4 нм.

Актуальность темы

Важнейшее предназначение МОП структур связано с их использованием в затворной секции полевого транзистора - основного элемента современной твердотельной электроники [1,2].

Повышение уровня интеграции микросхем предполагает уменьшение планарных размеров отдельных транзисторов, что, как известно [2], требует применения все более тонких подзатворных диэлектриков. Ранее считалось, что ограничением на миниатюризацию неизбежно выступит появление туннелирования носителей заряда из канала в затвор. Но в середине 1990-х гг. были изготовлены [3] образцы приборов с субмикронной длиной канала и туннельно-тонким ЭЮг, демонстрировавшие вполне удовлетворительные характеристики, несмотря на наличие утечки. Ввиду таких перспектив использования слоев окисла толщиной 1-3 нм резко возросли требования к объему, точности и достоверности данных о поведении туннельных МОП структур.

Сказанного достаточно, чтобы считать актуальность предпринятого исследования неоспоримой.

Однако большой интерес представляют и некоторые другие приборы на основе тонкой МОП структуры, в частности, биполярный транзистор с туннельным МОП эмиттером [4-6], в котором роль базы играет инверсный слой, а роль коллектора - толща 81. Именно этот прибор находился в центре нашего внимания на

начальном этапе диссертационной работы, и именно в его терминах проводится ниже большинство наших рассуждений. Весьма любопытными представляются также свойства МОП структур, связанные с инжекцией горячих электронов в кремний [5].

Изучение этих свойств, равно как и исследования туннельного переноса заряда в упомянутом биполярном транзисторе, сейчас приобретают особое значение, поскольку получаемые результаты оказываются важными для анализа токов затвора.

В настоящее время ведутся активные поиски "альтернативных" подзатворных диэлектриков с высокой диэлектрической проницаемостью, применение которых, вместо 8102, позволило бы снизить туннельные токи. Разрабатываемые модели для описания туннелирования в структурах металл/8Юг/81 будут применимы и для систем с новыми материалами.

Цель работы

Целью диссертационной работы являлось:

1) проведение подробного экспериментального исследования электрических характеристик диодов, транзисторов и тиристоров на основе туннельной МОП структуры - с уделением особого внимания инжекции горячих носителей в и эффектам их энергетической релаксации;

2) разработка аналитической модели для расчета электрических характеристик туннельных МОП структур, пригодной для любых параметров (легирование, толщина ЭЮг, материал верхнего электрода: металл/ро1у8^ и любых режимов смещения;

3) комплексное изучение электролюминесценции кремниевых туннельных МОП структур: измерение и анализ спектров в различных режимах, -сопоставление с данными для других излучающих кремниевых приборов и определение интенсивности свечения в абсолютных единицах;

4) феноменологическое исследование следствий деградации и пробоя диэлектрика в приборах на основе туннельных МОП структур, а также выявление взаимосвязи между повреждением окисла

и изменениями люминесцентных свойств образцов;

5) анализ возможностей использования транзистора с туннельным МОП эмиттером как инструмента для измерения параметров туннелирования (эффективных масс в окисле) и параметров энергетической релаксации горячих электронов в кремнии.

Объекты и методы исследования

Основными объектами исследования являлись структуры А1/ 1-4нм8Ю2/п(р)81, изготовленные в ФТИ РАН в двух-, трех- и четырех электродном исполнении (дополнительные выводы позволяли управлять потенциалом инверсного слоя).

Экспериментально изучались статические вольтамперные характеристики всех имевшихся приборов, а также спектры люминесценции туннельных МОП диодов на подложках различных типов. Проводилось моделирование электрических характеристик структур А1/8Юг/81 и ро1у81/8Юг/81; для последних результаты расчетов сопоставлялись с литературными данными.

В качестве дополнения рассмотрены свойства некоторых других систем металл-диэлектрик-полупроводник.

Научная новизна работы

В настоящей работе впервые

• подробно изучено поведение различных туннельных МОП структур и транзистора с туннельным МОП эмиттером в сильноточных режимах (инжекционная способность, эффекты ионизации, деградация);

• исследованы особенности, связанные с туннельной прозрачностью приповерхностной области полупроводника (двойное/тройное туннелирование в МОП системе, перенос зона-зона, резонансный транспорт);

• предложена целостная квантовая модель для расчетов электрических характеристик туннельных МОП структур, не имеющая ограничений на выбор параметров и режимов;

• измерены спектры люминесценции МОП структур с толщиной окисла менее 3 нм, эти спектры отражают особенности туннельной инжекции и излучательных процессов различных типов (рекомбинация, внутризонные переходы);

• определено несколько важных характеристических параметров ЭЮг и 81 (квантовый выход оже-ионизации вблизи порога и темп испускания фотонов в кремнии, эффективная масса дырки в тонком окисле).

Основные положения, выносимые на защиту

1. При положительном смещении на подложке туннельная МОП структура представляет собой инжектор квазимоноэнерге-тичных горячих электронов в кремний. Энергия инжекции Е^ определяется разностью между уровнем Ферми металла и краем зоны проводимости за пределами инверсного или обогащенного слоя; она регулируется напряжениями на клеммах структуры и может на практике достигать нескольких эВ.

2. Электрические и оптические (люминесцентные) свойства приборов на основе туннельной МОП структуры: туннельных диодов, транзисторов и тиристоров с туннельным МОП эмиттером, - в значительной степени определяются свойствами инжектора и условиями энергетической релаксации горячих носителей в кремнии.

3. В обратносмещенной туннельной МОП структуре А1/8Юг/ пБ!, благодаря совместному действию оже-ионизации атомов кремния инжектируемыми электронами и ударной ионизации, возникает положительная обратная связь по току, что приводит к би-стабильности (а иногда и мультистабильности) структуры в некотором диапазоне напряжений.

4. Коэффициент инжекции системы А1/8Юг/п81 снижается при уменьшении толщины ЭЮг и при снижении легирования АГд (в сопоставимых режимах). Это сказывается на усилении транзистора с туннельным МОП эмиттером и на величине напряжения

его переключения У8Ш. Рост Узи! с уменьшением Ир связан также с ослаблением поля в области объемного заряда, снижающим эффективность ударной ионизации.

5. Туннелирование в подложке является важным механизмом переноса заряда в туннельной МОП структуре, в особенности при сильном легировании. Его модельный учет приводит к возрастанию предсказываемых сквозных токов. Туннелирование зона-зона в Б! - при изгибе зон более Ед - способствует поддержанию инверсии. Еще одним эффектом туннелирования в полупроводнике является резонансный перенос электронов через дискретные квантовые уровни в области интерфейса 81/8102.

6. Разработанная модель позволяет проводить расчеты электрических характеристик туннельных МОП структур в самых различных ситуациях: любой уровень легирования, прямое или обратное смещение, металлический или поликремниевый электрод, любые режимы управления потенциалом инверсного слоя в подложке - с претензией на количественную точность. При этом должны использоваться следующие значения параметров туннелирования: высоты барьеров, как в толстой МОП структуре, эффективные массы в окисле для электронов те = 0.42шо и дырок ти = О.ЗЗто.

7. Излучательные переходы в кремнии являются одним из важных каналов релаксации инжектируемых в МОП структуре электронов. Туннельные МОП структуры люминесцируют; форма соответствующего спектра зависит от а также (в случае инверсии) от величины электрического поля в обедненной области. Выделяются вклады разных механизмов люминесценции, в частности прямых внутризонных и рекомбинационных переходов, в полную интенсивность.

8. Так как люминесцентные характеристики весьма чувствительны к повреждению БЮг, их можно использовать для мониторинга деградации и пробоя туннельно-тонкого окисла.

9. Стойкость туннельной МОП структуры к протеканию тока в режиме прямого туннелирования значительно выше, чем ее

же стойкость (и чем стойкость структур с более толстым диэлектриком) в режиме инжекции Фаулера-Нордгейма. Величина заряда (¿зъа, перенос которого приводит к пробою БЮг, для случая прямого туннелирования может достигать 107 Кл/см2, что достаточно для приборных применений.

10. Транзистор с туннельным МОП эмиттером может служить удобным метрологическим инструментом для исследования параметров туннелирования и параметров энергетической релаксации электронов в кремнии. Определенное с его помощью значение эффективной массы дырок в тонком слое БЮг равно тп^ = О.ЗЗтпо; величина квантового выхода Р(Е^) оже-ионизации при ~ 1.5 эВ составляет единицы процентов.

Практическое значение работы

Научно-практическая значимость работы состоит в том, что в ней подробно теоретически и экспериментально исследован комплекс эффектов, связанных со сквозным переносом заряда в МОП структуре с толщиной пленки диоксида кремния 1-3 нм.

Полученные результаты могут использоваться при решении задачи оптимизации приборов, в которых туннельная МОП структура играет роль инжектора горячих электронов. Кроме того, многие аспекты проведенного исследования (данные измерений токов, ряд деталей моделирования, параметризация барьеров, диагностика стойкости окисла) заслуживают, на наш взгляд, внимания разработчиков полевых транзисторов с подзатворным диэлектриком нанометровой толщины. Практическое применение может найти также предложенная "оптическая" методика мониторинга повреждения туннельно-тонких слоев БЮг-

Развитые в диссертации модели допускают имплементацию в программы-симуляторы полупроводниковых приборов.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы докладывались на 1-й, 2-й и 3-й Российских конференциях по физике полупроводников

(Нижний Новгород, 1993; Зеленогорск, 1996; Москва, 1997), на " Humboldt-Kolleg Conference" (St.-Petersburg, 2005), а также на международных конференциях: International Conferences on Solid State Devices and Materials [SSDM] (Makhuhari, 1993; Yokohama, 1994), Japan; International Conference on the low-dimensional systems, Chernogolovka, Russia (1993); European Material Research Society [E-MRS] Spring Meetings, Strasbourg, France (1996; 1999); International Semiconductor Conference [CAS], Sinaia, Romania (1996); International Conference on Microelectronics [MIEL], Nis, Yugoslavia (1997); International Conference on Simulation of Semiconductor Processes And Devices [SISPAD], Leuven, Belgium (1998); Conferences on INsulating Films On Semiconductors [INFOS], (Kloster Banz, Germany, 1999; Udine, Italy, 2001; Barcelona, Spain, 2003); International Symposia "Nanostructures: Physics and Technology", St.-Petersburg, Russia (2000; 2002); Workshop on Dielectrics in Microelectronics [WoDiM], Munich, Germany (2000); European Workshop on ULtimate Integration of Silicon [ULIS], Munich, Germany (2002); European Solid-State Device Research Conference [ESSDE RC], (Firenze, Italy, 2002; Estoril, Portugal, 2003).

С использованием материалов диссертации автором сделано три приглашенных доклада: в Mikroelektronik Centret, Lyngby, Denmark (1999), в Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik, München, Germany (2000) и в Technische Fakultät der Universität Kiel, Germany (2003).

Кроме того, результаты работы обсуждались на,семинарах отдела Сильноточной Электроники ФТИ РАН.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 73 научных работы (5 - лично автором диссертации, остальные - в соавторстве), в том числе 50 статей в реферируемых научных журналах: Физика и Техника Полупроводников, Solid-State Electronics, IEEE Transactions on Electron Devices, Microelectronics Engineering и других.

Структура диссертационной работы

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и библиографии (210 наименований). Ее полный объем составляет 230 страниц, количество рисунков 94.

Содержание работы

Во введении кратко описан предмет диссертационного исследования - туннельная МОП структура, очерчен круг изучаемых вопросов, объяснена актуальность и указаны цели работы. Кроме того, приведены положения, выносимые на защиту, и формальные сведения о диссертации (число публикаций и т. п.).

Первая глава посвящена литературному обзору, а также истории исследования кремниевых приборов с туннельно-тонким диэлектриком. Предварительно сообщается необходимая начальная информация о туннельных структурах как объектах. Обсуждается критерий отнесения МОП структуры к разряду туннельных и затрагивается вопрос об ее зонных диаграммах, решение которого лежит в основе объяснения многих физических свойств.

Представляя историю туннельных МОП структур, мы выделяем два этапа: от конца 1960-х до середины 1990-х гг. и последующий период. На первом этапе были изготовлены различные структуры с тонкими пленками ЭЮг и разработана их теория, описывающая режимы с невысокими напряжениями на окисле [7]. Стало понятным, что поведение туннельных систем отличается от поведения МОП структур без переноса заряда не только фактом протекания тока, но и распределением прикладываемого смещения. Возможность управления им, а значит, и величиной сквозного тока, легла в основу работы биполярного (фото) транзистора с МОП эмиттером [4,7]. Туннельные МОП структуры применялись также как фотодетекторы и солнечные элементы.

Второй этап ознаменовался использованием туннельных диэлектриков в качестве подзатворных в полевых транзисторах [3]. Это обстоятельство значительно повысило актуальность наших

исследований и их практическую ценность. Однако, если в "ранних" вариантах применения туннельной МОП структуры сквозному току через БЮг принадлежала основная роль, то в полевом транзисторе туннелирование - паразитный эффект. Исследования переноса заряда через слой диэлектрика, как, например^ в биполярном транзисторе с туннельным МОП эмиттером, могут рассматриваться как вклад в анализ токов затвора в полевых транзисторах, то есть в область электроники, получившую название "gate engineering", задачами которой являются подбор материалов для затворной секции и изучение их характеристик.

Во второй главе обсуждаются результаты экспериментального исследования электрических характеристик приборов на основе туннельной МОП структуры.

Эти результаты представлены в статьях А1-А5, А9-А12, А14-А19, А21, А24, А26, А29, А31, АЗб, А40, А45, А46, А48, А49 (см. стр. 28-33).

При изучении поведения диодов Al/Si02/Si наиболее интересные особенности выявлены в режимах обратного смещения структур на сильнолегированных подложках pSi ("+" на металл) и умеренно легированных подложках nSi ("+" на кремний).

На Рис. 1 представлены вольтамперные характеристики структур Al/Si02/nSi. Сильноточное включенное состояние поддерживается благодаря внутреннему механизму пополнения неосновных носителей - ионизации атомов кремния инжектируемыми горячими электронами [8]. В нашей работе установлено, что напряжение переключения V,w снижается с толщиной окисла d и с концентрацией доноров Nd• При Nd > 5 • 1017 см-3 бистабильности нет, а характеристика суперлинейна.

Вольтамперные кривые структур Al/Si02/p+Si демонстрируют особенности иного рода (Рис. 2). Начиная с некоторого напряжения, наблюдается существенный рост обратного тока; иногда он бывает ступенчатым. Увеличение тока обусловлено туннели-рованием зона-зона в Si, а ступени могут появляться за счет резонансного транспорта электронов из валентной зоны через уровни квантовой ямы в зоне проводимости [9] в металл [10].

/Ь»я тпл шя puttb for вут oxide 700' 30min, d ~ 2 2nm •

'""АЛ

diode AI/S(0>Si Nn=2.10lecm

diode Al/SIOJnSI ~ Д/„=5.10"спГ

reverse bias

7ПТ

-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16

applied bias V. Volt

Рис. 1: Измеренные В АХ туннельных МОП структур (подложки п81).

diode AI/SIO/pSI Л/ B2-101ecm

. diode AI/SIOj/pSI W.-2.10 "cm"'

oxide: 700°40mln, 2.5nm

-2 0 2 applied bias V, Volt

p+Si,

reverse

bias

band-to-band tunneling

Рис. 2: Измеренные ВАХ туннельных МОП структур (подложки р+31).

Известно, что туннельные МОП структуры на умеренно легированных подложках п81 могут работать как (фото)транзисторы [4-7]. Коллектором при этом является толща кремния, а базой -инверсный дырочный слой. Управление осуществляется светом или же подачей тока через р+-область, примыкающую к МОП эмиттеру (Рис. 3). Описанный биполярный прибор топологически идентичен полевому транзистору. Различие состоит в направлениях протекания основного тока (они помечены стрелками).

Свойства транзисторов с туннельным МОП эмиттером подробно исследованы в нашей работе. На Рис. 4 приведены выход-

MOSFET

Tunnel Emitter Transistor

' Л" % • *,.* « • г у » r s

Si02

inversion'' channel

n-Si

lsubstrate

base contact ?emitter

Si02

Inversion7 base layer

n-Si

[collector

Рис. 3: Полевой/биполярный транзистор с туннельно-тонким SiC>2-

ные характеристики 1с{исЕ)\зв^ а также входные характеристики Jв{UвE) Для того же и еще для одного прибора (Ыц — 1016 см-3). Э-образность кривых Jc{UcE) отражает бистабильность

Рис. 4: Выходные и входные кривые транзисторов с МОП эмиттером.

транзистора. Иногда наблюдалось два S-сегмента (мультиста-бильность). Входная характеристика содержит участки спада Jb-при высоких Übe {> 3-4 В) и - для мультистабильных образцов -около Übe ~ 2.2 В. При Übe > 2.2 В рост Jb{Ube) замедляется.

Об аналогичном поведении Jß сообщалось авторами [6]. Для его объяснения используем выражение

JB=jB.S= (jh - jbulk - je • (M - 1)) • S. (1)

Здесь je, jh - туннельные токи между зоной проводимости/вален-

тной зоной и металлом, jbulk - ток дырок из толщи Si, 5 - площадь, М - фактор умножения электронов. Если напряжение Uce невелико, М — 1 к, P(Einj), где Р - квантовый выход оже-ионизации [11], E{nj - энергия инжекции (E{nj и qUßE ~ Ед). Спады и замедления роста Jß связаны с влиянием тока je-(M—l) при E{nj > Ед. Отметим еще, что в области совсем низких Übe за счет термогенерации оказывается jjmifc > jhtn поэтому там Jq < 0.

Поведение других изученных в работе туннельных структур: Au/CaF2/nSi, Au/Si02/nSiC и W(nrna CTM)/BaKyyM/nSi - во многих деталях повторяло поведение приборов Al/Si02/Si.

Третья глава содержит описание предложенных нами аналитических моделей туннельных МОП структур. Развитая теория состоит из нескольких взаимосвязанных блоков, посвященных туннелированию через ЭЮг и в кремнии, эффекту квантования в обогащенном или инверсионном слое, энергетической релаксации электронов, а также балансу неосновных носителей.

Модели опубликованы в А6, А13, А22, А24, А26, А28, А29, А31, А32, А36, А38, А40, А42-А46, А48, А50.

Коэффициент прохождения частицы через диэлектрик Тох всегда находится с учетом и верхнего, и нижнего барьеров. Полная энергия Е и поперечный волновой вектор к± считаются сохраняющимися [12]. Туннелирование в Si подразделяется на перенос в запрещенной зоне (и далее через окисел), перенос зона-зона и резонансный транспорт. Последние два процесса возможны лишь при обратном смещении, когда изгиб зон в кремнии qip3 достаточно велик, и сильном легировании. При этом полный ток - например, для случая структуры Al/Si02/pSi - записывается как

• _ „• I „• _ -lev I ?cont I -cont , ■resonant /с\\

3=3e + Jh = 3e +3e + 3h + 3h, (2)

где для появления j™ionant необходимо, чтобы по крайней мере один из уровней квантовой ямы лежал ниже, чем край валентной зоны толщи кремния Ev>00. Значок cont помечает ток континуума, a lev - ток с дискретных уровней.

При расчете зонной диаграммы МОП структуры учитывается квантование в инверсионном или обогащенном слое в одноуровневом приближении. При этом используется выражение фо = (Ь3/2)1/'2 л ехр (—6 z/2) для волновой функции основного состояния в квантовой яме [9] (инверсия) или вводится эмпирическая формула (р(z) = <p¡( 1 - ехр(—Az)) для профиля зон в кремнии (обогащение). Здесь z - расстояние от интерфейса SÍ/SÍO2, а Л, b - параметры. Вышележащие дискретные уровни при необходимости находятся квазиклассическим способом.

Энергия электронов Einj, инжектируемых в Si при положительном смещении на подложке, определяется за инверсионным или обогащенным слоем. В случае nSi (режим инверсии) рассматривается ударная генерация электронно-дырочных пар. Мы выделяем оже-ионизацию (при Einj > Ед) и ударную ионизацию в поле обедненной области. Фактор умножения составляет

М = (1 + Р) • (1 + = ¿ Q" g® dé, (3)

где -fdepl - квантовый выход ударной ионизации. Через , т^1 обозначены темпы потерь энергии на испускание оптических фо-нонов с энергией пшо = 0.063 эВ и на ионизацию.

Для нахождения напряжения на окисле U при заданном обратном смещении V применяется уравнение баланса неосновных носителей. В случае nSi оно имеет вид (1). Вклад в jbuik могут давать термогенерация (jth), фототок, ток туннелирования зона-зона в Si (jbb) и ток "рп-перехода" инверсный слой - толща.

Результаты расчета вольтамперных характеристик туннельных МОП диодов Al/Si02/nSi(pSi) приведены на Рис. 5, 6 (случай умеренного легирования). В режиме аккумуляции ток резко растет с уменьшением d для структур как на nSi, так и на pSi. В режиме же обратного смещения (инверсия/обеднение) увеличение тока при утоньшении SÍO2 наблюдается только для структур n-типа. Рис. 5 демонстрирует бистабильность прибора на nSi; она связана с эффектами ионизации и отмечалась в эксперименте.

Моделирование характеристик транзисторов с туннельным МОП эмиттером также -дало неплохие результаты.

-4 -2 О 2 4 6 8 10 12 applied blas V, Volt

Рис. 5: Рассчитанные характеристики структур Al/SiCb/nSi.

0 2 4

applied blas V, Volt

Рис. б: Рассчитанные характеристики структур Al/SiC^/pSi.

Вольтамперные кривые сильнолегированных структур приведены на Рис. 7. Как и в соответствующих экспериментах (Рис. 2), заметны подъемы тока, особенно резкие при концентрациях Ид > 1019 см-3. Первый подъем отвечает появлению тока ]ъъ, а второй и последующие - моментам вовлечения дискретных уровней в резонансный транспорт. Отметим также, что наличие тока ¿ъъ

способствует поддержанию инверсии и иногда обнаруживается на вольтфарадных характеристиках (появляется "горб").

10° ю:1

1 10"2

* ю--«

ё-ю*4

и

I 10"® I 10-6

3 ю-7

Ю-8 Ю-9

-5 -4 -3 -2 -1 0 voltage V, Volt

Рис. 7: Рассчитанные характеристики структур на подложках p+Si.

При расчетах использованы следующие значения параметров. Разрывы зоны проводимости и валентной зоны на границе Si/SiCb Хе = 3.15 эВ, Xh = 4.63 эВ, барьер Al/Si02 х+ = 3.17 эВ, эффективные массы электронов и дырок в SiCb - тпе = 0.42то [13] и rrih = О.ЗЗто (примерно соответствует данным [14] и нашим собственным оценкам). Масса для туннелирования в запрещенной зоне кремния тпд — 0.17тпо- Зависимость Р от энергии взята из [11]. Темп термогенерации в Si G — 1018 см-3с-1.

Глава четвертая целиком посвящена электролюминесценции туннельных МОП структур, наблюдающейся при подаче положительного смещения V > 2-3 В на кремниевую подложку.

Наши статьи на эту тему: А8, А20, А23, А25, А27, АЗО, А37, А43.

Для целей анализа данного эффекта мы выделяем несколько составляющих интенсивности (Рис. 8). Наиболее принципиально наличие HI-компоненты (Hot Injection), связанной с инжекцией в Si изначально горячих моноэнергетичных электронов. Именно HI-излучение отличает люминесценцию туннельных МОП структур от свечения других кремниевых приборов [15]. Далее, может появ-

*)RR occurs only In pSi

SF-stage ; (only in nSi):

TH-stage

TH PS1, accum TH 1 accum

n/ff-SI, on-state

Рис. 8: Схема формирования спектра туннельной МОП структуры.

ляться SF-компонента (Strong Field) в области объемного заряда. Наконец, имеется ТН-составляющая (THermalized), создаваемая "остывшими" электронами: пики при hw ~ кТ и hw ~ Ед.

Если структура и/или режим выбраны так, что вовне индуцированного дырочного слоя сильного поля нет (например, Al/Si02/ pSi, обогащение), то форма спектра определяется величиной Е{пу.

d W

J Ьш

~ f — о J t-M

<7^o J т£(Ё) d[H

Tl~\E,hw)dE. (4)

Здесь v = i/([ftu;]) - доля интенсивности света, выходящая из образца без перепоглощения, a dr^/dfftu;] (с_1эВ-1) - темп потерь энергии на эмиссию фотонов в заданном интервале от %ш до 1гш + 8hw, отнесенный к ширине этого интервала.

Спектральные диапазоны для внутризонного (IB, IntraBand) и рекомбинационного (RR, Radiative Recombination) излучения суть Кш = 0 ... Е,

гп]

и Eg ... Einj-\-Eg. Для оценки наибольшей

энергии световых квантов, генерируемых при внутризонных прямых (1В^, d=direct) переходах, нами получена формула

/

Edir = Ее

2а

>(5)

где Ее = Е{п_пц — 0.91бто - продольная масса электрона в Э!, ах, = 0.543 нм - постоянная решетки, Д = 0.15 (отступ минимума от края зоны Бриллюэна в единицах кь = 2ж/а^), а = —0.09 эВ-1. Прямые рекомбинационные переходы (Ш1-с1), возможные при > 2.3 эВ, приводят к эмиссии фотонов с Кш ~ 3.4 эВ.

Рис. 9: Спектры эмиссии фотонов туннельной МОП структурой.

Для проведения оптических измерений использовалась установка на базе монохроматора с фотоумножителем [16]. Данные об интенсивности можно было получать не только в относительных (с1//с1[71и>], а.и.), но и в абсолютных (сШ^ДЦ^], Ватт/эВ) единицах, а учет перепоглощения позволял реконструировать спектр собственно эмиссии фотонов А\Упе1.ет138 /.

На Рис. 9 приведены спектры сИУпег.егтза /¿[/к^] туннельной МОП структуры А^ЭЮг/рЭ! (Ыа = 2 • 1018 см-3). Все они имеют четкую коротковолновую границу Ьш — Е^ + Ед. При относительно низких энергиях фотонов (< 1.7 эВ) намечается хвост от ТН-пика около %ш ~ Ед. Для Е¿„^ = 2.4 эВ в области Ьы ~ 3.4 эВ имеется особенность, связанная с Ш1-с1 переходами; до реконструкции (на кривых эта особенность была менее выражена. Представленные на Рис. 9 спектры излучения согласуются с результатами их моделирования методом Монте-Карло.

1

3 (б

4 - photon energy îiœ = 1,653 eV (X =750nm)

3 _ Al/Si02 /pSi/p+SI,

WA=10 cm

RR only. RR + indirect IB

/ RR + indirect IB A + direct IB

o>

Tito = Ефг(Ещ)

0

1 2 1 4 1.6 1.8 2.0 22 2.4 electron injection energy, eV

Рис. 10: Интенсивность излучения на выбранной длине волны.

Помимо спектров, мы измеряли зависимости интенсивности эмиссии фотонов фиксированной энергии Ihuj от E{nj. Если < Ед, кривая Ihw(Einj) имеет два (близких) порога: IB-i (i=indirect) при Einj = Ьш и IB-d при Einj = f~l{hw), где /-1 - обратная функция по отношению к Edir—f{Ee), задаваемой формулой (5). Если выбрано > Ед, то порогов три: RR-i (или RR-d, если fuo ~ Ед) при Einj = Ъш — Ед ъ далее два вышеназванных порога IB-i, IB-d. На Рис. 10 приведена иллюстрация как раз для такого случая (RR-порог оказался вовне представленного диапазона энергий Einj). Измерения Ihw{Einj) проводились также в работе [17], но ее авторы отмечали лишь вклад IB-d процессов.

Предметом пятой главы является изучение деградации и пробоя тонких слоев SiC^. Наряду с изменениями электрических характеристик, впервые анализируется влияние повреждения окисла на люминесцентные свойства туннельной МОП структуры.

Соответствующие данные были включены в работы А16, А17, А23, АЗЗ-А35, А37, А39, А41, А46, А48, А49.

Исследование процесса деградации диодов и транзисторов с МОП эмиттерами показало, что он по своим проявлениям эквива-

лентен утоньшению пленки БЮг в сочетании с появлением потерь энергии при переносе в ней электронов. Эффект пробоя в режиме аккумуляции можно грубо считать равносильным постановке резистора вместо поврежденной части структуры, а при обратном смещении характер влияния пробоя зависит от многих факторов, в том числе от проводимости инверсного слоя.

2 3

bue-to-emtttor Ыаз U , Volt

2 4 в 8 10

collector-to-emltter blas U , Volt

Рис. 11: Изменения характеристик транзистора при повреждении S1O2.

На Рис. 11 "приведены зависимости коэффициента усиления транзистора Al/Si02/nSi (d ~ 2.2 нм, Nu = 1016 см-3) от Übe, а также его коллекторные характеристики при нулевом базовом токе. Эффективное уменьшение толщины окисла и энергии инжек-ции вследствие деградации вызывают некоторое снижение усиления. Акт пробоя радикально изменяет поведение прибора в сильноточных режимах (резко падает ßj) и срывает бистабильность, а при небольших Übe, когда проводимость инверсного слоя невысока, прибор продолжает работать.

В случае аккумуляции деградация и пробой проявлялись более тривиально и чаще всего сводились просто к увеличению тока. Однако при высоких напряжениях иногда оказывалось, что сопротивление шунта превосходит туннельное сопротивление до повреждения, - и тогда ток после пробоя снижался.

Для количественной характеризации стойкости диэлектрика к протеканию тока используется величина заряда Qsbd, перенос которого (в среднем) приводит к формированию проводящей об-

ласти пробоя. В тонких МОП структурах указанная область обычно не расширяется, то есть пробой является "мягким" [18,19]. Было установлено, что заряд в режиме прямого туннелирования (БТ) может достигать 107 Кл/см2, а в режиме инжекции Фаулера-Нордгейма через треугольный барьер - всего 103-104 Кл/см2. Ранее, резкое повышение С^м при переходе к БТ отмечалось авторами [18], исследовавшими более толстые образцы 4 нм). Измерения €}&<! проводились нами на тиристорах А1 /810г/пЭ1 /р^" во включенном состоянии, в которых поставка неосновных носителей обеспечивалась нижним р+-эмиттером.

Влияние деградации слоя ЭЮг на спектры люминесценции 6.1 /6[1ги}\ туннельных МОП структур при заданном напряжении V связано с изменением условий протекания тока в диэлектрике.

Рис. 12: Трансформация спектра при деградации ЭЮг-

Спектры излучения структуры А1/8Юг/р81 (ЛТд = 2 • 1018 см-3), измеренные в процессе деградации, приведены на Рис. 12. Вначале интенсивность 6.1 /&[%ш\ увеличивалась во всем спектральном диапазоне, в особенности в длинноволновой части. Затем коротковолновый край смещался (1а —> 2) в сторону меньших Нш, из-за чего спектр 1а не всегда удавалось записать надежно.

Такая трансформация может быть объяснена совместным влиянием эффектов утонынения окисла и неупругости туннелирова-

ния. Благодаря "утоныпению" имеет место рост тока и интенсивности свечения, а накопление дефектов-рассеивателей вызывает искажения спектра: снижается средняя энергия испускаемых фотонов. Положение края спектра остается неизменным до тех пор, пока имеется некоторая зона, в которой электроны при переносе не теряют энергию. Но как только туннелирование становится неупругим и в этой зоне, появляется сдвиг.

Как было установлено в наших экспериментах, при деградации диэлектрика размываются пороги на зависимостях интенсивности HI-излучения на фиксированной длине волны Ihu> (см. Рис. 10). Размытие объясняется потерей электронами моноэнер-гетичности при их переносе через поврежденный окисел.

В области пробоя HI-люминесценция, как правило, срывалась, так как электроны инжектировались "холодными". Если свечение области закоротки все же частично сохранялось, отношение Ihu/J для любого Лш после пробоя уменьшалось.

Изменения оптических характеристик туннельных МОП структур при повреждении ЭЮг зачастую оказывались более ярко выраженными, чем изменения тока. Следовательно, появляется возможность использовать измерения спектров и/или интенсивности для контроля состояния структуры. Например, эпюры интенсивности могут служить альтернативой или дополнением к традиционным эпюрам тока при мониторинге деградации и пробоя.

В шестой главе приборы на основе тонкой МОП структуры - в первую очередь, транзистор с МОП эмиттером - используются как инструменты для измерения квантового выхода оже-ионизации и темпов генерации фотонов в Si, а также параметров туннельных барьеров. При этом разработанные модели применяются не для расчетов, а для обработки экспериментальных данных с целью определения необходимых величин.

Материал опубликован в А7, А9, А16, А17, А25, А29, А36, А37, А44, А47.

В части параметров туннелирования через SiÛ2 уточнению подлежат эффективная масса для нижнего барьера тпь, а также -в конкретных случаях - толщина диэлектрика d.

101 i«

10"

О)

J? 1 10"3

Al/SiOj/nSi Uce = 3.5V

experiment: yc - triangles (tMn Unas: Qulde for eye) у . circles

Auger

Ionization

current

Ja —I" /

<0 x>

.... , rJ d= 1.85 nm , simulations: Ja-solid m>=042m ;

i . ___0 !

I 10"

Л,-dashed mh=o.33m0

1.6 2.0 2.4 2.8 3.2 base-to-emitter voltage t/BE. V

Рис. 13: Экспериментальные данные для определения d, ть, Р{Ее).

В транзисторе Al/SiC^/nSi толщина окисла находится из измерений коллекторного тока je- При Uce > Übe он приблизительно равен электронной компоненте тока через окисел je, которая вычисляется с использованием известного значения те = 0.42то [13]. В примере на Рис. 13 получается d = 18.5 Ä. Для определения d в МОП диодах - как на nSi, так и на pSi - измеряется сквозной ток j в режиме аккумуляции (j и je). В сильнолегированных структурах на подложках р-кремния толщину Si02 можно оценить исходя из данных по напряжениям активации межзонного переноса электронов и резонансного транспорта.

Процедура определения т/, предполагает обработку характеристик транзистора на подложке nSi. Сначала находится толщина d. Далее измеряется ток базы jgпри напряжениях TJbе менее 2.2 В и невысоких Uce (но больших, чем Übe) он равен туннельному току дырок jh- После этого по туннельным формулам вычисляется масса т/,. Нами получено значение тпд = О.ЗЗто (Рис. 13), что соответствует некоторым другим публикациям [14] и намного меньше, чем масса дырки в толстых слоях БЮг [1].

Кривые jb{Ube) используются также для определения квантового выхода оже-ионизации Р в диапазоне энергий электрона

'в 10

в Е

10"

10"

-1.2 1.6 го 24

electron energy Е„ eV

Рис. 14: Темп оже-ионизации в Si как функция энергии электрона.

1-2.5 В. В области Übe > 2.2 В имеем jB = jh - je • P{Einj), где je и jh могут быть рассчитаны. Оказалось, что при энергиях Ее ~ 1.5 эВ квантовый выход составляет около одного процента. Измеренную зависимость Р(Ее) целесообразно преобразовать к виду темпа потерь энергии на ионизацию т^1(Ее):

T%l4Ee) = T;h\Ee).fM0.¥^ (6)

(темп фононного рассеяния т~^(Ее) заимствуется в [20]). Результат представлен на Рис. 14 и сопоставлен с данными работ [20-22].

Мы провели также измерение темпа потери энергии электронами на испускание фотонов dTj~1(Ee,tiw)/d[tiw]. При этом использовались спектры диодов Al/Si02/pSi, записанные в абсолютных единицах и реконструированные с учетом перепоглощения.

Для математической обработки применялось выражение

dT^jEjnjM) _ .fqbuo\

d[M ~ pb j V Ьш ) '

■дЁ-jV -d[M->(7)

2.0

electron energy Ее, eV

Рис. 15: Темп потерь энергии электроном на испускание фотонов в Si.

получающееся после переноса предынтегральных множителей (4) в левую часть и взятия производных по энергии инжекции Е;„.,•. Для подачи окончательного результата следует заменить Е^ на формальную переменную Ее, как при записи т^"1.

На Рис. 15 показаны полученные зависимости Ат^1 /&\Ъ.ш\ от Ее для нескольких Кш (исходные спектры см. на Рис. 9). Диапазон энергий электронов и фотонов ограничивался возможностями эксперимента. Интегральный темп эмиссии фотонов т^1 (Ее) при этом можно оценить как ~ 106 с-1 (тг~* рз [с1г;~ 1/с1[?гш]] где

Д[Йа»] и 2 эВ - ширина области измерения).

В заключении подводятся итоги диссертационной работы.

Основные результаты

В представленной работе были всесторонне исследованы особенности поведения туннельных МОП структур А1/8Ю2(1-4нм)/ Бь Наибольшее внимание уделялось электрическим и оптическим свойствам таких структур, связанным с переносом заряда через диэлектрик, в том числе эффектам, обусловленным инжекцией горячих электронов из металла в кремний при положительном на-

пряжении на подложке. При этом

1) изучены особенности поведения системы А1/8Ю2/81 при обратном смещении, отражающие факт сосуществования электронной и дырочной компонент туннельного тока. Благодаря наличию обеих компонент структуры А1/8Ю2/п81 способны функционировать как биполярные транзисторы с туннельным МОП эмиттером. Установлено, что коэффициент инжекции такого эмиттера, а значит, и усиление транзистора, растут при увеличении толщины БЮг и/или уровня легирования Ыр;

2) показано, что в режиме прямого туннелирования (в отличие от инжекции Фаулера-Нордгейма) ресурс работы МОП структуры весьма велик. Величина заряда С}аы, перенос которого посредством прямого туннелирования приводит к пробою слоя ЯЮг, может достигать 107 Кл/см2; этого достаточно для многих приборных применений;

3) разработаны аналитические модели, позволяющие надежно рассчитывать электрические характеристики туннельных МОП структур с различными параметрами в любых режимах;

4) наряду с туннелированием через слой 8102, проанализирован эффект туннелирования в полупроводнике (включая резонансный транспорт через дискретные уровни вблизи интерфейса Б^БЮг), который во всех случаях увеличивает сквозные токи. Туннелирование зона-зона в кремнии пополняет заряд инверсного слоя в структурах на сильнолегированных подложках;

5) подробно изучены особенности, связанные с релаксацией инжектируемых горячих носителей в кремнии. Энергетическая релаксация электронов, помимо рассеяния на фононах, сопровождается генерацией новых электронно-дырочных пар, квантовый выход которой зависит от энергии инжекции и от величины электрического поля в Бк Ток ударной генерации играет большую роль в балансе токов в некоторых МОП приборах: в частности, его наличие обусловливает би- и мульти- стабильность транзистора с туннельным МОП эмиттером А1/8Ю2/п81;

6) впервые тщательно исследованы процессы эмиссии фото-

нов в туннельной МОП структуре. Анализ измеряемых спектров люминесценции позволяет выделить вклады прямых внутризон-ных и рекомбинационных излучательных переходов в Si. Форма спектра определяется условиями инжекции электронов и сильно зависит от режима смещения туннельной МОП структуры. Так как эти условия изменяются при повреждении слоя БЮг, появляется возможность использовать оптические исследования для мониторинга деградации;

7) на основе измерений характеристик туннельных МОП структур было независимо определено несколько важных параметров материалов Si и SÍO2: значение эффективной массы дырок в тонком окисле (m/i = О.ЗЗто), квантовый выход оже-ионизации в кремнии (единицы процентов при энергии электрона 1.5 эВ), темп испускания фотонов в Si.

Список публикаций по теме диссертации

(тезисы докладов в список не включены)

[Al] Векслер М.И., Грехов И.В., Шулекин А.Ф. Ударная ионизация в транзисторах с туннельно-тонким МОП-эмиттером. Письма в ЖТФ, т. 18, вып. 21, стр. 1-5 (1992).

[А2] Грехов И.В., Шулекин А.Ф., Векслер М.И. Статические характеристики кремниевого оже-транзистора с туннельным МОП-эмиттером и индуцированной базой. ФТП, т. 27, вып. 1, стр. 88-94 (1993).

[A3] Векслер М.И., Грехов И.В., Шулекин А.Ф. Мультиста-бильность МДП-структур с туннельно-тонким диэлектрическим слоем. Письма в ЖТФ, т. 19, вып. 3, стр. 50-55 (1993).

[A4] Grekhov I.V., Shulekin A.F., Vexier M.I. Multicascade impact ionization in Si Metal-Insulator-Semiconductor Tunnel Emitter Auger Transistor (Si MIS TEAT). Solid-State Commun., v. 87, No. 4, pp. 341-343 (1993).

[A5] Грехов И.В., Шулекин А.Ф., Векслер М.И. Механизм формирования стационарных обратных вольт-амперных характеристик МДП-структур с переносом заряда. ФТП, т. 29, вып. 2, стр.

229-234 (1995).

[А6] Vexler M.I. A simple analytical model of the tunnel MIS emitter Auger transistor. IEEE Trans. Electron Devices, v. ED-42, No. 4, pp. 656-661 (1995).

[A7] Grekhov I.V., Shulekin A.F., Vexler M.I. Measurement of the near-threshold Auger ionization probability in silicon. J. Phys. -Condensed Matter, v. 7, pp. 7037-7043 (1995).

[A8] Векслер М.И., Грехов И.В., Соловьев С.А., Ткаченко А.Г., Шулекин А.Ф. Электролюминесценция кремниевых туннельных МДП-структур. Письма в ЖТФ, т. 21, вып. 13, стр. 81-86 (1995).

[А9] Grekhov I.V., Shulekin A.F., Vexler M.I. Silicon Auger transistor - new insight into the performance of a tunnel MOS emitter transistor. Solid-State Electronics, v. 38, No. 8, pp. 1533-1541 (1995).

[A10] Белов С.В., Векслер М.И., Грехов И.В., Шулекин А.Ф. Неустойчивости распределения тока по площади в кремниевом оже-транзисторе с туннельным МОП-эмиттером. Письма в ЖТФ, т. 22, вып. 3, стр. 42-47 (1996).

[All] Болотов Л.И., Макаренко И.В., Титков А.Н., Векслер М.И., Грехов И.В., Шулекин А.Ф. СТМ-контакт с пассивированной водородом поверхностью кремния как точечный оже-транзис-тор с туннельным МОП-эмиттером. ФТТ, т. 38, вып. 3, стр. 889900 (1996).

[А12] Альварес Х.К., Векслер М.И., Грехов И.В., Соколов Н.С., Шулекин А.Ф. Электрофизические характеристики структур Аи/ CaF2/n-Si<lll> с супертонкими (менее 20 нм) слоями CaF2, выращенными методом молекулярно-лучевой эпитаксии. ФТП, т. 30, вып. 7, стр. 1328-1334 (1996).

[А13] Векслер М.И. Туннельная МДП-структура при высокой плотности тока (режим обратного смещения). ФТП, т. 30, вып. 9, стр. 1718-1727 (1996).

[А14] Белов С.В., Векслер М.И., Грехов И.В., Шулекин А.Ф. Подавление эффекта оттеснения эмиттерного тока в оже-транзи-сторах. ФТП, т. 30, вып. 10, стр. 1838-1847 (1996).

[А15] Belov S.V., Vexler M.I., Grekhov I.V., Shulekin A.F. Non-

one-dimensional effects in tunnel MOS devices. Thin Solid Films, v. 294, pp. 281-283 (1997).

[A16] Grekhov I.V., Shulekin A.F., Vexier M.I. Degradation of tunnel-thin silicon dioxide films. IEEE Trans. Electron Devices, v. ED-44, No. 12, pp. 2307-2308 (1997).

[A17] Грехов И.В., Шулекин А.Ф., Векслер М.И. Деградация туннельных МОП-структур при высокой плотности тока. ФТП, т. 32, вып. 6, стр. 743-747 (1998).

[А18] Грехов И.В., Векслер М.И., Иванов П.А., Самсонова Т.П., Шулекин А.Ф. Эффект усиления фототока в МОП-структурах Au/Si02/n-6H-SiC с туннельно-тонким диэлектриком. ФТП, т. 32, вып. 9, стр. 1145-1148 (1998).

[А19] Grekhov I.V., Schmalz К., Shulekin A.F., Tittelbach-Helm-rich К., Vexier M.I. Operation of a bipolar transistor with a tunnel MOS emitter and an induced base from 4.2 to 300K. Cryogenics, v. 38, No. 6, pp. 613-618 (1998).

[A20] Grekhov I.V., Shulekin A.F., Vexier M.I., Zimmermann H. Concepts of light emission from a silicon MOS tunnel emitter Auger transistor. Solid-State Electronics, v. 43, No. 2, pp. 417-426 (1999).

[A21] Grekhov I.V., Ivanov P.A., Samsonova T.P., Shulekin A.F., Vexler M.I. SiC-based phototransistor with a tunnel MOS emitter. IEEE Trans. Electron Devices, v. ED-46, No. 3, pp. 577-579 (1999).

[A22] Shulekin A.F., Vexler M.I., Zimmermann H. Quantization effects in hole inversion layers of tunnel MOS emitter transistors on Si(100) and (111) substrates at T=300K. Semicond. Sei. Technol, v. 14, No. 5, pp. 470-477 (1999).

[A23] Asli N., Gastev S.V., Grekhov I.V., Seegebrecht P., Shulekin A.F., Tyaginov S.E., Vexler M.I., Zimmermann H. Al/Si02(2.0-2.5 nm)/p-Si tunnel junction as a light emitter. Microelect. Eng., v. 48, No. 1-4, pp. 79-82 (1999).

[A24] Векслер М.И., Грехов И.В., Шулекин А.Ф. Роль эффекта ударной ионизации в формировании обратных вольт-амперных характеристик туннельных структур Al/Si02/n-Si. ФТП, т. 34, вып. 7, стр. 803-808 (2000).

[А25] Asli N., Gastev S.V., Grekhov I.V., Seegebrecht P., Shulekin A.F., Tyaginov S.E., Vexier M.I., Zimmermann H. Luminescence measurements on MOS tunnel diodes as a method of finding the photon emission rates in Silicon. Materials Science in Semiconductor Processing, v. 3, pp. 539-543 (2000).

[A26] Vexier M.I., Shulekin A.F., Dieker Ch., Zaporojtschenko V., Zimmermann H., Jäger W., Grekhov I.V., Seegebrecht P. Current model considering oxide thickness non-uniformity in a MOS tunnel structure. Solid-State Electronics, v. 45, No. 1, pp. 19-25 (2001).

[A27] Asli N., Vexier M.I., Shulekin A.F., Yoder P.D., Grekhov I.V., Seegebrecht P. Threshold energies in the light emission characteristics of silicon MOS tunnel diodes. Microel. Reliability, v. 41, No.

7, pp. 1071-1076 (2001).

[A28] Vexier M.I., Asli N., Shulekin A.F., Meinerzhagen В., Seegebrecht P. Compact quantum model for a silicon MOS tunnel diode. Microelect. Eng., v. 59, pp. 161-166 (2001).

[A29] Карева Г.Г., Векслер М.И., Грехов И.В., Шулекин А.Ф. Туннелирование электронов через двойной барьер в структуре металл-окисел-кремний при обратном смещении. ФТП, т. 36, вып.

8, стр. 953-958 (2002).

[АЗО] Asli N., Vexier M.I., Shulekin A.F., Seegebrecht P. Hot-electron-induced luminescence of metal-oxide-semiconductor tunnel devices. Semicond: Sei. Technol., v. 18, pp. 147-153 (2003).

[A31] El Hdiy A., Khlil R., Ziane Dj., Grekhov I.V., Shulekin A.F., Vexier M.I. Impact of the band-band tunneling in silicon on electrical characteristics of Al/Si02/p+-Si structures with the sub-3 nm oxide under positive bias. Solid-State Electronics, v. 47, No. 4, pp. 617-620 (2003).

[A32] Vexier M.I. A simple quantum model for the MOS structure in accumulation mode. Solid-State Electronics, v. 47, No. 8, pp. 12831287 (2003).

[A33] Khlil R., El Hdiy A., Shulekin A.F., Tyaginov S.E., Vexler M.I. Soft breakdown of MOS tunnel diodes with a spatially nonuniform oxide thickness. Microelectronics Reliability, v. 44, No. 3,

pp. 543-546 (2004).

[A34] Asli N., Shulekin A.F., Yoder P.D., Vexler M.I., Grekhov I.V., Seegebrecht P. Impact of oxide damage on the light emission properties of MOS tunnel structures. Solid-State Electronics, v. 48, No. 5, pp. 731-737 (2004).

[A35] Шулекин А.Ф., Тягинов С.Э., Khlil R., El Hdiy А., Векс-лер М.И. Мягкий пробой как причина спада тока в туннельной МОП структуре. ФТП, т. 38, вып. 6Г стр. 753-756 (2004).

[А36] Vexler M.I., Shulekin A.F., Grgec D., Grekhov I.V., Meinerzhagen B. Band-to-band tunneling related effects in a thin MOS structure. Microelect. Eng., v. 72, pp. 180-184 (2004).

[A37] Asli N., Векслер М.И., Грехов И.В., Seegebrecht Р., Тягинов С.Э., Шулекин А.Ф. Излучательная рекомбинация в кремниевой туннельной МОП-структуре. ФТП, т. 38, вып. 9, стр. 10681073 (2004).

[А38] Тягинов С.Э., Векслер М.И., Шулекин А.Ф., Грехов И.В. Влияние пространственной неоднородности толщины диэлектрика на вольтамперные характеристики туннельных МОП структур. Письма в ЖТФ, т. 30, вып. 24, стр. 7-11 (2004).

[А39] Тягинов С.Э., Асли Н., Векслер М.И., Шулекин А.Ф., Сеегебрехт П., Грехов И.В. Мониторинг интенсивности люминесценции туннельной МОП структуры с пространственно неоднородной толщиной диэлектрика. Письма в ЖТФ, т. 31, вып. 8, стр. 47-51 (2005).

[А40] Tyaginov S.E., Vexler M.I., Shulekin A.F., Grekhov I.V. Statistical analysis of tunnel currents in scaled MOS structures with a non-uniform oxide thickness distribution. Solid-State Electronics, v. 49, No. 7, pp. 1192-1197 (2005).

[A41] El Hdiy A., Khlil R., Jin Y., Tyaginov S.E., Shulekin A.F., Vexler M.I. An aluminum-gate metal-oxide-silicon capacitor with a tunnel-thin oxide under the bidirectional electric stress. J. Appl. Phys., v. 98, Paper No. 024501 [5 pages] (2005).

[A42] Векслер М.И., Грехов И.В., Шулекин А.Ф. О влиянии поперечного квантования на электрические характеристики тун-

нельной МОП-структуры субмикронных размеров. ФТП, т. 39, вып. 12, стр. 1430-1435 (2005).

[А43] Yoder P.D., Vexier M.I., Shulekin A.F., Asli N., Gastev S.V., Grekhov I.V., Seegebrecht P., Tyaginov S.E., Zimmermann H. Luminescence spectra of an Al/Si02/p-Si tunnel metal-oxide-semiconductor structure. J. Appl. Phys., v. 98, Paper No. 083511 [12 pages] (2005).

[A44] Vexier M.I., Tyaginov S.E., Shulekin A.F. Determination of the hole effective mass in thin silicon dioxide film by means of an analysis of characteristics of a MOS tunnel emitter transistor. J. Phys.: Condens. Matter, v. 17, No. 50, pp. 8057-8068 (2005).

[A45] Vexier M.I., El Hdiy A., Grgec D., Tyaginov S.E., Khlil R., Meinerzhagen В., Shulekin A.F., Grekhov I.V. Tunnel charge transport within silicon in reversely-biased MOS tunnel structures. Microelectronics Journal, v. 37, No. 2, pp. 114-120 (2006).

[A46] Тягинов С.Э., Векслер M.И., Шулекин А.Ф., Грехов И.В. Влияние неоднородности толщины диэлектрика на переключение туннельной МОП структуры Al/Si02/n-Si при обратном смещении. ФТП, т. 40, вып. 3, стр. 314-318 (2006).

[А47] Векслер М.И., Тягинов С.Э., Шулекин А.Ф. Транзистор с туннельным МОП эмиттером как инструмент для определения эффективной массы дырки в тонкой пленке диоксида кремния. ФТП, т. 40, вып. 4, стр. 498-503 (2006).

[А48] Tyaginov S.E., Vexier M.I., Shulekin A.F., Grekhov I.V. Effect of the spatial distribution of Si02 thickness on the switching behavior of bistable MOS tunnel structures. Microelect. Eng., v. 83, No. 2, pp. 376-380 (2006).

[A49] Tyaginov S.E., Vexier M.I., Shulekin A.F., Grekhov I.V. The post-damage behavior of a MOS tunnel emitter transistor. Microelectronics Reliability (2006) accepted for publication.

[A50] Vexler M:I. Simulation of current-voltage characteristics of a MOS structure considering the tunnel transport of carriers in semiconductor. J. Phys. D: Appl. Phys., v. 39, No. 1, pp. 61-65 (2006).

Список цитируемой литературы

[1] А. П. Барабан, В. В. Булавинов, П. П. Коноров, Электроника слоев БЮг на кремнии, Л., изд-во ЛГУ (1988).

[2] http://public.itrs.net, "International Technology Roadmap for Semiconductors", (2005).

[3] H. S. Momose, M. Ono, T. Yoshitomi, T. Ohguro, S. Nakamura, M. Saito, H. Iwai, IEEE Trans., ED-43 1233 (1996).

[4] J. G. Simmons, G. W. Taylor, Solid-State Electron., 29 287 (1986).

[5] И. В. Грехов, E. В. Остроумова, А. А. Рогачев, А. Ф. Шулекин, Письма в ЖТФ, 17 44 (1991).

[6] Е. Aderstedt, I. Medugorac, P. Lundgren, Solid-State Electron., 46 497 (2002).

[7] M. A. Green, F. D. King, J. Shewchun, Solid-State Electron., v. 17, I-Theory, p. 551; II- Experiment, p. 563 (1974).

[8] S. K. Lai, P. V. Dressendorfer, Т. P. Ma, R. C. Barker, Appl. Phys. Lett., 38 41 (1981).

[9] Т. Андо, А. В. Фаулер, Ф. Стерн, Электронные свойства двумерных систем [гл. 3], М.1 Мир (1985).

[10] Г. Г. Карева, ФТП, 33 969 (1999).

[11] W. Е. Drummond, J. L. Moll, J. Appl. Phys., 42 5556 (1971).

[12] A. Ghetti, A. Hamad, P. J. Silverman, H. Vaidya, N. Zhao, Proc. SISPAD Conf., Kyoto, Japan, p. 239 (1999).

[13] A. Schenk, G. Heiser, J. Appl. Phys., 81 7900 (1997).

[14] A. Haque, K. Al'am, Appl. Phys. Lett., 81 667 (2002).

[15] G. Deboy, J. Kölzer, Semicond. Sei. Technol., 9 1017 (1994).

[16] N. Asli, Experimentelle Untersuchung der Elektrolumineszenz von MOS-Tunnelstrukturen, PhD Dissertation, Kiel Univ., Germany (2004).

[17] E. Cartier, J. C. Tsang, M. V. Fischetti, D. A. Buchanan, Microelectron. Eng., 36 103 (1997).

[18] M. Depas, B. Vermeire, P. W. Mertens, M. Meuris, M. M. Heyns, Semicond. Sei. Technol., 10 753 (1995).

[19] S. Lombardo, J. H. Stathis, B. P. lander, K. L. Rey, F. Palumbo, С. H. Tung, J. Appl. Phys., 98 Paper 121301 (2005).

[20] Y. Wang, K. Brennan, J. Appl. Phys., 75 313 (1994).

[21] M. C. Vecchi, M. Rudan, IEEE Trans., ED-45 230 (1998).

[22] N. Sano, M. Tomizawa, A. Yoshii, Jpn. J. Appl. Phys., 30 3662 (1991).

Отпечатано в типографии ПИЯФ РАН

188300, Гатчина Ленинградской обл., Орлова роща Зак. 403, тир. 100, уч -изд. л 2; 27.10.2006 г.

Введение

1 Кремниевые туннельные МОП структуры: понятие, общие сведения, история изучения

1.1 Об определении и свойствах туннельных МОП структур.

1.2 Краткий исторический обзор.

1.3 Роль туннельной МОП структуры в современной полупроводниковой электронике

Выводы к Главе 1.

2 Электрические характеристики приборов на основе туннельной МОП структуры

2.1 Сведения о технологии изготовления образцов.

2.2 Некоторые технические детали измерений.

2.3 Туннельные МОП диоды.

2.3.1 Случай умеренного легирования подложки.

2.3.2 Случай сильного легирования.

2.4 Транзисторы с туннельным МОП эмиттером.

2.4.1 Входные и выходные характеристики. Режим оже-транзистора

2.4.2 Утечки, неодномерные эффекты, воспроизводимость.

2.4.3 Замечание о дуальности полевого и биполярного МОП транзисторов

2.5 Тиристоры.

2.6 Сравнение с данными других авторов.

2.7 Структуры с МДП эмиттерами, отличными от системы Al/Si02/Si . 58 Выводы к Главе 2.

3 Моделирование электрических характеристик туннельных МОП структур в одномерном приближении

3.1 Основные физические вопросы.

3.1.1 Туннелирование через слой диэлектрика.

3.1.2 Туннелирование в полупроводнике

3.1.3 Эффект квантования в обогащенном слое

3.1.4 Эффект квантования в инверсионном слое.

3.1.5 Энергетическая релаксация инжектируемых электронов.

3.1.6 Баланс неосновных носителей при обратном смещении.

3.2 Выбор параметров.

3.3 Вольтамперные характеристики туннельных МОП диодов.

3.4 Характеристики некоторых трехэлектродных МОП структур.

3.4.1 Транзистор с туннельным эмиттером Al/Si02/nSi

3.4.2 Структуры с затвором из А1 и polySi в условиях равновесия.

3.5 Эффекты, связанные с туннелированием в полупроводнике.

3.5.1 Двойное (тройное) туннелирование в МОП структуре.

3.5.2 Туннелирование зона-зона в кремнии.

3.5.3 Резонансный транспорт.

Выводы к Главе 3.

4 Электролюминесценция кремниевых туннельных МОП структур

4.1 Общее описание эффекта люминесценции.

4.2 Техника записи спектров электролюминесценции.

4.2.1 Экспериментальная установка.

4.2.2 Математическая обработка результатов измерений.

4.3 Экспериментальные спектры электролюминесценции.

4.3.1 Структуры Al/Si02/pSi, Al/Si02/nSi/p+Si, Al/Si02/pSi/ p+Si.

4.3.2 Структуры Al/Si02/nSi.

4.3.3 Наблюдение прямых излучательных переходов

4.4 Данные измерений интенсивности на фиксированной длине волны.

4.5 Моделирование спектров люминесценции методом Монте Карло.

Выводы к Главе 4.

5 Деградация и пробой диэлектрика в туннельной МОП структуре

5.1 Стойкость окисла к туннельному переносу заряда.

5.2 Наблюдение деградации электрических характеристик приборов.

5.3 Снижение инжекционной способности МОП эмиттера.

5.4 Влияние деградации на оптические характеристики.

5.4.1 Изменение интенсивности свечения.

5.4.2 Изменения формы спектров люминесценции.

5.5 Поведение туннельной МОП структуры после мягкого пробоя.

5.5.1 Эффективное сопротивление и локализация пробитой области

5.5.2 Усиление и бистабильность МОП структуры после пробоя

5.5.3 Искажение характеристик люминесценции.

Выводы к Главе 5.

6 Транзистор с туннельным МОП эмиттером как исследовательский инструмент

6.1 Уточнение параметров туннелирования через Si

6.1.1 Толщина туннельного барьера.

6.1.2 Эффективная масса дырки в тонком слое Si02.

6.2 Измерение параметров релаксации горячих электронов в Si.

6.2.1 Квантовый выход оже-ионизации в кремнии.

6.2.2 Темпы генерации фотонов в кремнии.

6.3 Исследования ресурса туннельно-тонких пленок окисла.

Выводы к Главе 6.

Под туннельной МОП структурой (англ.: MOS tunnel structure) понимается структура Металл-Окисел-Полупроводник, перенос заряда через которую может осуществляться посредством прямого квантовомехани-ческого туннелирования. Толщина диэлектрика (БЮг) в таких структурах составляет менее 4 нм. Слово "полупроводник" в данном контексте почти всегда означает "кремний", в качестве "металла" обычно выступают Al, Аи или сильнолегированнный поликремний (polySi).

Туннельные МОП структуры представляют собой весьма интересные для изучения физические объекты, имеющие реальные перспективы приборных применений. Их поведение, особенно в режиме инверсии/обеднения, значительно отличается от поведения толстых МОП структур, поскольку протекание тока оказывает существенное влияние на распределение прикладываемого смещения. Потенциалом инверсионного слоя и, следовательно, величиной сквозного тока можно управлять во многом независимо от напряжения на всей структуре. Ввиду асимметрии туннелирования электронов и дырок, туннельная МОП структура на подложке nSi способна усиливать созданный в ней или введенный в нее дырочный ток. На этих принципах работают биполярные (фото)транзисторы с туннельным МОП эмиттером. Кроме того, как было недавно продемонстрировано, наличие туннелирования через окисел не является препятствием и на пути использования туннельной МОП структуры в качестве затворной секции полевого транзистора (с обычным управлением). Имеется также ряд других МОП приборов с туннельно-тонким диэлектриком: диоды, тиристоры, солнечные элементы.

Большое разнообразие весьма любопытных свойств туннельных МОП структур обусловлено инжекцией горячих носителей, которая имеет место практически всегда, так как напряжение на окисле реально составляет от долей до единиц Вольт. В процессе энергетической релаксации носителей в Si (чаще всего речь идет об электронах) происходят генерация новых электронно-дырочных пар, а также испускание световых квантов, то есть люминесценция. С помощью измерений на туннельных МОП структурах квантовый выход этих процессов может быть исследован количественно. Ток ударной генерации играет большую роль в балансе токов в некоторых МОП приборах, а форма спектра излучения может служить своего рода индикатором состояния слоя SiC^.

На определенном полуколичественном уровне некоторые из упомянутых деталей поведения туннельных МОП структур изучались ранее. Как представляется, на сегодняшний день необходимо пополнение и уточнение информации о влиянии различных параметров окисла и подложки на свойства приборов, в особенности при высоких плотностях тока. Важной задачей остается также усовершенствование моделей туннельной МОП структуры; они должны не только учесть туннелирование электронов через окисел, но и охватить ряд других эффектов (приповерхностное квантование, протекание тока из валентной зоны Si, туннелирование в кремнии, ионизационные процессы). Назрела необходимость достижения определенности в части параметризации туннелирования.

Настоящая работа посвящается комплексному исследованию электрических и оптических свойств туннельных МОП структур. Акцент делается на эффектах, обусловленных инжекцией горячих электронов из металла в кремний. Продольному (в плоскости структуры) переносу заряда, а также эффектам в обедненной области Si, напрямую не связанным с инжекцией, отводится менее важное место.

Актуальность научного направления и темы представляется неоспоримой. Основным аргументом в пользу актуальности является то, что в современных полевых транзисторах толщины реально применяемых подзатворных диэлектриков, неуклонно снижаясь в связи с общими тенденциями миниатюризации, приблизились к туннельному диапазону (1-3 нм). Поэтому круг затрагиваемых в данной работе вопросов представляет прямой интерес для физики и техники базового элемента всей полупроводниковой электроники - полевого транзистора.

Целью диссертационной работы являлось

1) проведение подробного экспериментального исследования электрических характеристик диодов, транзисторов и тиристоров на основе туннельной МОП структуры - с уделением особого внимания инжекции горячих носителей в Si и эффектам их энергетической релаксации;

2) разработка аналитической модели для расчета электрических характеристик туннельных МОП структур, пригодной для любых параметров (уровень легирования, толщина S1O2, материал верхнего электрода: металл/поликремний) и любых режимов смещения;

3) комплексное изучение электролюминесценции кремниевых туннельных МОП структур: измерение и анализ спектров в различных режимах, сопоставление с данными для других излучающих кремниевых приборов и определение интенсивности свечения в абсолютных единицах;

4) феноменологическое исследование следствий деградации и пробоя диэлектрика в приборах на основе туннельных МОП структур, а также выявление взаимосвязи между повреждением окисла и изменениями люминесцентных свойств образцов;

5) анализ возможностей использования транзистора с туннельным МОП эмиттером как инструмента для измерения параметров туннели-рования (эффективных масс в окисле) и параметров энергетической релаксации горячих электронов в кремнии.

Основные положения, выносимые на защиту, и их новизна

1. При положительном смещении на подложке туннельная МОП структура представляет собой инжектор квазимоноэнергетичных горячих электронов в кремний. Энергия инжекции E{nj определяется разностью между уровнем Ферми металла и краем зоны проводимости Si за пределами инверсного или обогащенного слоя; она регулируется напряжениями на клеммах структуры и может на практике достигать нескольких эВ.

2. Электрические и оптические (люминесцентные) свойства приборов на основе туннельной МОП структуры: туннельных диодов, транзисторов и тиристоров с туннельным МОП эмиттером, - в значительной степени определяются свойствами инжектора й условиями энергетической релаксации горячих носителей в кремнии.

3. В обратно смещенной туннельной МОП структуре Al/Si02/nSi, благодаря совместному действию оже-ионизации атомов кремния инжектируемыми электронами и ударной ионизации, возникает положительная обратная связь по току, что приводит к бистабильности (а иногда и муль-тистабильности) структуры в некотором диапазоне напряжений.

4. Коэффициент инжекции системы Al/Si02/nSi снижается при уменьшении толщины Si02 и при снижении легирования Np (в сопоставимых режимах). Это сказывается на усилении транзистора с туннельным

МОП эмиттером и на величине напряжения его переключения Vsw. Рост Vsw с уменьшением No связан также с ослаблением поля в области объемного заряда, снижающим эффективность ударной ионизации.

5. Туннелирование в подложке является важным механизмом переноса заряда в туннельной МОП структуре, в особенности при сильном легировании. Его модельный учет приводит к возрастанию предсказываемых сквозных токов. Туннелирование зона-зона в Si - при изгибе зон более Ед - способствует поддержанию инверсии. Еще одним эффектом туннелиро-вания в полупроводнике является резонансный перенос электронов через дискретные квантовые уровни в области интерфейса Si/Si02

6. Разработанная модель позволяет проводить расчеты электрических характеристик туннельных МОП структур в самых различных ситуациях: любой уровень легирования, прямое или обратное смещение, металлический или поликремниевый электрод, любые режимы управления потенциалом инверсного слоя в подложке, - с претензией на количественную точность. При этом должны использоваться следующие значения параметров туннелирования: высоты барьеров как в толстой МОП структуре, эффективные массы в окисле для электронов те = 0.42то и дырок mh = О.ЗЗто

7. Излучательные переходы в кремнии являются одним из важных каналов релаксации инжектируемых в МОП структуре электронов. Туннельные МОП структуры люминесцируют; форма соответствующего спектра зависит от Einj, а также (в случае инверсии) от величины электрического поля в обедненной области. Выделяются вклады разных механизмов люминесценции, в частности прямых внутризонных и рекомби-национных переходов, в полную интенсивность.

8. Так как люминесцентные характеристики весьма чувствительны к повреждению S1O2, их можно использовать для мониторинга деградации и пробоя туннельно-тонкого окисла.

9. Стойкость туннельной МОП структуры к протеканию тока в режиме прямого туннелирования значительно выше, чем ее же стойкость (и чем стойкость структур с более толстым диэлектриком) в режиме инжекции Фаулера-Нордгейма. Величина заряда Qsbd, перенос которого приводит к пробою Si02, для случая прямого туннелирования может достигать 107 Кл/см2, что достаточно для приборных применений.

10. Транзистор с туннельным МОП эмиттером может служить удобным метрологическим инструментом для исследования параметров тун-нелирования и параметров энергетической релаксации электронов в кремнии. Определенное с его помощью значение эффективной массы дырок в тонком слое Si02 равно тд = О.ЗЗто; величина квантового выхода P(Einj) оже-ионизации при Einj ~ 1.5 эВ составляет единицы процентов.

Перечисленные положения сформулированы на основе новых результатов, полученных в диссертационной работе.

Научно-практическая значимость работы состоит в том, что в ней подробно теоретически и экспериментально исследован комплекс эффектов, связанных со сквозным переносом заряда в туннельной МОП структуре с толщиной пленки диоксида кремния 1-3 нм. Помимо традиционно рассматриваемого туннелирования электронов через Si02, проанализирован ряд дополнительных эффектов, таких как туннельный перенос заряда в кремнии, влияние дырочной компоненты туннельного тока, релаксация (в том числе через излучательные переходы) инжектируемых в Si горячих носителей. Кроме того, в работе было независимо определено несколько важных параметров Si и ЭЮг: эффективная масса дырок в тонком окисле, квантовый выход оже-ионизации в кремнии, темп испускания фотонов в кремнии. Проведенное исследование имеет значение для применений туннельной МОП структуры в качестве инжектора горячих носителей в Si, например в транзисторе с туннельным МОП эмиттером. Оно может также представить интерес для исследователей полевых транзисторов с подзатворным окислом нанометровой толщины.

Апробация работы - Результаты диссертационной работы докладывались на 1-й, 2-й и 3-й Российских Конференциях по физике полупроводников (Нижний Новгород, 1993; Зеленогорск, 1996; Москва, 1997), на "Humboldt-Kolleg Conference" (St.-Petersburg, 2005), а также на международных конференциях: International Conferences on Solid State Devices and Materials [SSDM] (Makhuhari, 1993; Yokohama, 1994), Japan; International Conference on the low-dimensional systems, Chernogolovka, Russia (1993); European Material Research Society [E-MRS] Spring Meetings, Strasbourg, France (1996; 1999); International Semiconductor Conference

CAS], Sinaia, Romania (1996); International Conference on Microelectronics [MIEL], Nis, Yugoslavia (1997); International Conference on Simulation of Semiconductor Processes And Devices [SISPAD], Leuven, Belgium (1998); Conferences on INsulating Films On Semiconductors [INFOS], (Kloster Banz, Germany, 1999; Udine, Italy, 2001; Barcelona, Spain, 2003); International Symposia "Nanostructures: Physics and Technology", St.-Petersburg, Russia (2000; 2002); Workshop on Dielectrics in Microelectronics [WoDiM], Munich, Germany (2000); European Workshop on ULtimate Integration of Silicon [ULIS], Munich, Germany (2002); European Solid-State Device Research Conference [ESSDERC], (Firenze, Italy, 2002; Estoril, Portugal, 2003).

С использованием материалов диссертации автором сделано три приглашенных доклада: в Mikroelektronik Centret, Lyngby, Denmark (1999), в Max-Planck-Institut fur ExtraterrestrischePhysik, Miinchen, Germany (2000) и в Technische Fakultat der Universitat Kiel, Germany (2003).

Кроме того, результаты работы обсуждались на семинарах отдела Сильноточной Электроники ФТИ РАН.

Публикации - По материалам диссертации опубликовано 73 научных работы, в том числе 50 статей в реферируемых научных журналах: Физика и Техника Полупроводников, Solid-State Electronics, IEEE Transactions on Electron Devices, Microelectronics Engineering и других.

Личный вклад автора - Представленные.результаты получены либо лично автором диссертации, либо при его активном участии. В случаях, когда в диссертации приводятся данные, вошедшие в публикации автора, но полученные другими соавторами, это оговаривается.

Структура и объем диссертации - Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и библиографии. Ее полный объем составляет 230 страниц (печать через 1.5 интервала), количество рисунков 94, список литературы1 содержит 210 наименований.

Выводы к Главе 6

Транзистор с туннельным МОП эмиттером Al/Si02/nSi может служить удобным метрологическим инструментом для измерения ряда параметров туннелирования и параметров энергетической релаксации электронов в кремнии. При этом разработанные модели туннельной

МОП структуры используются не для предсказания характеристик, а для обработки эмпирического числового материала. Найденное нами значение эффективной массы дырки в тонком слое SiOi равно тh = О.ЗЗто. Величина квантового выхода оже-ионизации Р(Ее) при энергии электрона Ее ~ 1.7 эВ составляет около процента. Темп потерь энергии на испускание фотонов d[hu>] в кремнии по порядку величины оказался равным 10ь-106 с~1эВ~1 (поскольку конструкция имевшихся транзисторов не позволяла наблюдать их излучение, для измерений темпа испускания фотонов использовались диодные структуры на pSi).

Заключение

В представленной работе было предпринято комплексное исследование поведения туннельных МОП структур Al/Si02(l-4HM)/Si. Основное внимание уделялось электрическим и оптическим свойствам этих структур, связанным с переносом заряда через диэлектрик, в том числе эффектам, обусловленным инжекцией горячих электронов из металла в кремний при положительном напряжении на подложке.

Изучены особенности поведения системы Al/Si02/Si при обратном смещении, отражающие факт сосуществования электронной и дырочной компонент туннельного тока. Благодаря наличию обеих компонент, структуры Al/Si02/nSi способны функционировать как биполярные транзисторы с туннельным МОП эмиттером. Установлено, что коэффициент ин-жекции такого эмиттера, а значит, и усиление транзистора, растут при увеличении толщины БЮг и/или уровня легирования Np.

Показано, что в режиме прямого туннелирования (в отличие от инжек-ции Фаулера-Нордгейма) ресурс работы МОП структуры весьма велик. Величина заряда Qsbd, перенос которого посредством прямого туннелирования приводит к пробою слоя Si02, может достигать 107 Кл/см2; этого достаточно для многих приборных применений.

Разработаны аналитические модели, позволяющие надежно рассчитывать электрические характеристики туннельных МОП структур с различными параметрами в любых режимах.

Наряду с туннелированием через слой Si02, проанализирован эффект туннелирования в полупроводнике (включая резонансный транспорт через дискретные уровни вблизи интерфейса Si/Si02), который во всех случаях увеличивает сквозные токи. Кроме того, туннелирование зона-зона в кремнии пополняет заряд инверсного слоя в структурах на сильнолегированных подложках.

Подробно изучены особенности, связанные с релаксацией инжектируемых горячих носителей в кремнии. Энергетическая релаксация электронов, помимо рассеяния на фононах, сопровождается генерацией новых электронно-дырочных пар, квантовый выход которой зависит от энергии инжекции и от величины электрического поля в Si. Ток ударной генерации играет большую роль в балансе токов в некоторых МОП приборах: в частности, его наличие обусловливает би- и мульти- стабильность транзистора с туннельным МОП эмиттером Al/Si02/nSi.

Другим механизмом релаксации - впервые исследованным в данной работе - является эмиссия фотонов, то есть люминесценция. Анализ измеряемых спектров позволяет выделить вклады прямых внутризонных и рекомбинационных излучательных переходов в Si. Форма спектра определяется условиями инжекции электронов и сильно зависит от режима смещения туннельной МОП структуры. Так как эти условия изменяются при повреждении слоя Si02, появляется возможность использовать оптические исследования для мониторинга деградации.

На основе измерений характеристик туннельных МОП структур было независимо определено несколько важных параметров материалов Si и Si02: значение эффективной массы дырок в тонком окисле (т/1 = О.ЗЗто), квантовый выход оже-ионизации в кремнии (единицы процентов при энергии электрона 1.5 эВ), темп испускания фотонов в Si.

Результаты проведенной работы имеют важное значение для применений туннельной МОП структуры в качестве инжектора, например в транзисторе с туннельным МОП эмиттером. Еще более серьезным аргументом в пользу актуальности данного исследования является то, что в современных полевых транзисторах толщйны подзатворных диэлектриков, неуклонно снижаясь в связи с общими тенденциями миниатюризации, подошли к диапазону 1-3 нм. Поэтому круг изученных в работе вопросов представляет непосредственный интерес для физики полевого транзистора - базового элемента полупроводниковой электроники.

Автор считает приятным долгом выразить благодарность своим коллегам.

Прежде всего хотелось бы поблагодарить заведующего Отделением Твердотельной Электроники ФТИ профессора И. В. Грехова за высококвалифицированное руководство.

Старшему научному сотруднику ФТИ А. Ф. Шулекину автор глубоко благодарен за техническую помощь в изготовлении образцов и в постановке ряда экспериментов, а также за поддержку личного характера, особенно на начальном этапе.

Заметный вклад в представленную работу внесли также научные сотрудники, работавшие в отделе Сильноточной Электроники ФТИ: С. В. Белов, А. Г. Ткаченко, С. Э. Тя-гинов, - и лаборанты: М. JI. Павлова, О. В. Войцышенко, В. Ф. Комарова, - которым хотелось бы выразить признательность. Весьма полезным для выполнения работы было взаимодействие с группами А. Н. Титкова, П. А. Иванова и Н. С. Соколова (ФТИ), а также

С Щ. Я. Урицкйм] (АО "Светлана"), |Л. С. ЬерманЪ^ (фТИ) и Г. Г. Каревой (СПбГУ).

Всем сотрудникам отдела Сильноточной Электроники ФТИ большое спасибо за доброжелательную атмосферу и моральную поддержку данной работы!

Руководителям кафедры Полупроводниковой Техники Университета г. Киля, Германия, X. Циммерманну (Н. Zimmermann) и П. Сеегебрехту (P. Seegebrecht) автор благодарен за приглашения в Киль и содействие при оптических измерениях. Проф. Б. Майнерц-хагену (В. Meinerzhagen) из Института Теоретической Электротехники и Микроэлектроники при Университете г. Бремена, Германия, автор признателен за приглашения в Бремен, позволившие совместно провести часть расчетов туннельных токов. Хотелось бы также отметить помощь проф. Д. Йодера (P. D. Yoder) из Технологического Института штата Джорджия, США, при исследовании люминесценции. Вклад в изучение деградации МОП структур дало сотрудничество с группой А. Эль-Хди (A. El Hdiy) из Университета г. Реймса, Франция.

Большое значение для работы имела финансовая поддержка научных фондов: Фонда Дж. Сороса, A. von Humboldt-Stiftung (Германия), Фонда Содействия Отечественной Науке, ГНТП "Наноструктуры", РФФИ, Программы поддержки ведущих научных школ, КЦФЕ (Санкт-Петербург), - которым автор глубоко признателен.

СПИСОК РАБОТ, ВКЛЮЧЕННЫХ В ДИССЕРТАЦИЮ

1*] Векслер М.И., Грехов И.В., Шулекин А.Ф. Ударная ионизация в транзисторах с туннельно-тонким МОП-эмиттером. Письма в ЖТФ, т. 18, вып. 21, стр. 1-5 (1992).

2*] Грехов И.В., Шулекин А.Ф., Векслер М.И. Статические характеристики кремниевого оже-транзистора с туннельным МОП-эмиттером и индуцированной базой. ФТП, т. 27, вып. 1, стр. 88-94 (1993).

3*] Векслер М.И., Грехов И.В., Шулекин А.Ф. Мультистабильность МДП-структур с туннельно-тонким диэлектрическим слоем. Письма в ЖТФ, т. 19, вып. 3, стр. 50-55 (1993).

4*] Grekhov I.V., Shulekin A.F., Vexler M.I. Multicascade impact ionization in Si Metal-Insulator-Semiconductor Tunnel Emitter Auger Transistor (Si MIS TEAT). Solid-State Commun., v. 87, No. 4, pp. 341-343 (1993).

5*] Векслер М.И., Грехов И.В., Шулекин А.Ф. Многокаскадная оже-ионизация в кремниевых МДП-структурах и приборы на основе этого эффекта. Тезисы докладов I Российской Конференции по физике полупроводников, т. 1, стр. 101, Нижний Новгород (1993).

6*] Alvarez J.C., Shulekin A.F., Sokolov N.S., Vexler M.I., Yakovlev N.L. MBE growth and electrophysical characterization of pseudomorphic СаРг/ Si<lll> structures. Extended Abstracts of the International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM'93j, pp. 413-415, Makhuhari, Japan (1993).

7*] Bolotov L.N., Shulekin A.F., Alvarez J.C., Vexler M.I., Titkov A.N. Hysteresis of I-V-characteristics of tunnel contacts on n-Si covered by tunnel CaF2 layer. Abstracts of the 1st International Conference on the low-dimensional systems, p. 132, Chernogolovka, Russia (1993).

8*] Grekhov I.V., Shulekin A.F., Vexler M.I. DC Performance of a tunnel MIS emitter Auger transistor. Extended Abstracts of the International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM'94), pp. 535-537, Yokohama, Japan (1994).

9*] Грехов И.В., Шулекин А.Ф., Векслер М.И. Механизм формирования стационарных обратных вольт-амперных характеристик МДП-структур с переносом заряда. ФТП, т. 29, вып. 2, стр. 229-234 (1995).

10*] Vexler M.I. A simple analytical model of the tunnel MIS emitter Auger transistor. IEEE Trans. Electron Devices, v. ED-42, No. 4, pp. 656661 (1995).

11*] Grekhov I.V., Shulekin A.F., Vexler M.I. Measurement of the near-threshold Auger ionization probability in silicon. J. Phys. - Condensed Matter, v. 7, pp. 7037-7043 (1995).

12*] Векслер М.И., Грехов И.В., Соловьев С.А., Ткаченко А.Г., Шулекин А.Ф. Электролюминесценция кремниевых туннельных МДП-струк-тур. Письма в ЖТФ, т. 21, вып. 13, стр. 81-86 (1995).

13*] Grekhov I.V., Shulekin A.F., Vexler M.I. Silicon Auger transistor -new insight into the performance of a tunnel MOS emitter transistor. Solid-State Electronics, v. 38, No. 8, pp. 1533-1541 (1995).

14*] Белов C.B., Векслер М.И., Грехов И.В., Шулекин А.Ф. Неустойчивости распределения тока по площади в кремниевом оже-транзисторе с туннельным МОП-эмиттером. Письма в ЖТФ, т. 22, вып. 3, стр. 42-47 (1996).

15*] Грехов И.В., Шулекин А.Ф., Векслер М.И. Горячие носители в туннельных МДП-структурах на кремнии. Тезисы докладов 2-й Российской Конференции по физике полупроводников, т. 2, стр. 232, Зелено-горек (1996).

16*] Векслер М.И., Грехов И.В., Соловьев С.А., Ткаченко А.Г., Шулекин А.Ф. Видимая электролюминесценция кремниевых туннельных МОП-структур, связанная с релаксацией горячих электронов. Тезисы докладов 2-й Российской Конференции по физике полупроводников, т. 2, стр. 85, Зеленогорск (1996).

17*] Болотов Л.Н., Векслер М.И., Грехов И.В., Макаренко И.В., Тит-ков А.Н., Шулекин А.Ф. Транзисторные эффекты в СТМ-контакте с пассивированной поверхностью кремния. Тезисы докладов 2-й Российской

Конференции по физике полупроводников, т. 2, стр. 233, Зеленогорск (1996).

18*] Болотов Л.И., Макаренко И.В., Титков А.Н., Векслер М.И., Грехов И.В., Шулекин А.Ф. СТМ-контакт с пассивированной водородом поверхностью кремния как точечный оже-транзистор с туннельным МОП-эмиттером. ФТТ; т. 38, вып. 3, стр. 889-900 (1996).

19*] Belov S.V., Grekhov I.V., Shulekin A.F., Vexler M.I. Non-one-dimensional effects in tunnel MOS devices. Abstracts of the European Material Research Society (E-MRS) 1996 Spring Meeting, p. D27, Strasbourg, France (1996).

20*] Альварес X.K., Векслер М.И., Грехов И.В., Соколов Н.С., Шулекин А.Ф. Электрофизические характеристики структур Аи/СаГг/п-Si<lll> с супертонкими (менее 20 нм) слоями CaF2, выращенными методом молекулярно-лучевой эпитаксии. ФТП, т. 30, вып. 7, стр. 1328-1334 (1996).

21*] Векслер М.И. Туннельная МДП-структура при высокой плотности тока (режим обратного смещения). ФТП, т. 30, вып. 9, стр. 1718-1727

1996).

22*] Grekhov I.V., Shulekin A.F., Vexler M.I. Optimization of the silicon-based tunnel MIS structures as hot electron injectors. Proc. of the International Semiconductor Conference (CAS'96), v. 2, pp. 345-348, Sinaia, Romania (1996).

23*] Белов С.В., Векслер М.И., Грехов И.В., Шулекин А.Ф. Подавление эффекта оттеснения эмиттерного тока в оже-транзисторах. ФТП, т. 30, вып. 10, стр. 1838-1847 (1996).

24*] Belov S.V., Vexler M.I., Grekhov I.V., Shulekin A.F. Non-one-dimensional effects in tunnel MOS devices. Thin Solid Films, v. 294, pp. 281-283

1997).

25*] Grekhov I.V., Shulekin A.F., Vexler M.I. Visible hot electron electroluminescence from Si in tunnel MIS junction. Proc. of the 21st International Conference on Microelectronics (MIEV91'), v. 1, pp. 165-168, Nis, Yugoslavia

1997).

26*] Grekhov I.V., Shulekin A.F., Vexler M.I. Degradation of tunnel-thin silicon dioxide films. IEEE Trans. Electron Devices, v. ED-44, No. 12, pp. 2307-2308 (1997).

27*] Векслер М.И., Грехов И.В., Шулекин А.Ф. Деградация туннельной МОП-структуры при протекании токов высокой плотности. Тезисы докладов 3-й Всероссийской Конференции по физике полупроводников, стр. 133, Москва (1997).

28*] Грехов И.В., Шулекин А.Ф., Векслер М.И. Деградация туннельных МОП-структур при высокой плотности тока. ФТП, т. 32, вып. 6, стр. 743-747 (1998).

29*] Shulekin A.F., Vexler M.I., Zimmermann Н. The role of quantization effects in inversion hole layers of tunnel MOS structures on n-Si substrates / in: K. De Meyer and S. Biesemans (eds.) Simulation of Semiconductor Processes And Devices 1998 - SISPAD'98 (Leuven, Belgiumj, Springer Wien New York, pp. 133-136 (1998).

30*] Грехов И.В., Векслер М.И., Иванов П.А., Самсонова Т.П., Шулекин А.Ф. Эффект усиления фототока в МОП-структурах Au/Si02/n-6H-SiC с туннельно-тонким диэлектриком. ФТП, т. 32, вып. 9, стр. 1145-1148

1998).

31*] Grekhov I.V., Schmalz К., Shulekin A.F., Tittelbach-Helmrich К., Vexler M.I. Operation of a bipolar transistor with a tunnel MOS emitter and an induced base from 4.2 to 300K. Cryogenics, v. 38, No. 6, pp. 613-618 (1998).

32*] Grekhov I.V., Shulekin A.F., Vexler M.I., Zimmermann H. Concepts of light emission from a silicon MOS tunnel emitter Auger transistor. Solid-State Electronics, v. 43, No. 2, pp. 417-426 (1999).

33*] Grekhov I.V., Ivanov P.A., Samsonova T.P., Shulekin A.F., Vexler M.I. SiC-based phototransistor with a tunnel MOS emitter. IEEE Trans. Electron Devices, v. ED-46, No. 3, pp. 577-579 (1999).

34*] Shulekin A.F., Vexler M.I., Zimmermann H. Quantization effects in hole inversion layers of tunnel MOS emitter transistors on Si(100) and (111) substrates at T=300K. Semicond. Sci. Technol, v. 14, No. 5, pp. 470-477

1999).

35*] Gastev S.V., Grekhov I.V., Shulekin A.F., Tyaginov S.E., Asli N., Seegebrecht P., Vexler M.I., Zimmermann H. Luminescence measurements on MOS tunnel diodes as a method of finding the photon emission rates in silicon. Abstr. of the European Material Research Society (E-MRS) 1999 Spring Meeting, Strasbourg, France, p. K-15 (1999).

36*] Asli N., Gastev S.V., Seegebrecht P., Shulekin A.F., Tyaginov S.E., Vexler M.I., Yoder P.D., Zimmermann H. Some new aspects of a high current density operation of MOS tunnel devices with a sub-3 nm-thick insulator layer. Adas de la Conferencia de Dispositivos Electronicos (CDE'99), pp. 219-222, Madrid, Espana (1999).

37*] Asli N., Gastev S.V., Grekhov I.V., Seegebrecht P., Shulekin A.F., Tyaginov S.E., Vexler M.I., Zimmermann H. Al/Si02(2.0-2.5 nm)/p-Si tunnel junction as a light emitter. Microelect. Eng., v. 48, No. 1-4 (Proceedings of the 11th conference on INsulating Films On Semiconductors (INFOS'99), Kloster Banz, Germany), pp. 79-82 (1999).

38*] Векслер М.И., Грехов И.В., Шулекин А.Ф. Роль эффекта ударной ионизации в формировании обратных вольт-амперных характеристик туннельных структур Al/Si02/n-Si. ФТП, т. 34, вып. 7, стр. 803-808

2000).

39*] Grekhov I.V., Shulekin A.F., Tyaginov S.E., Vexler M.I. Soft breakdown in the bistable MOS tunnel structures. Proceedings of the 8th International Symposium "Nanostructures: Physics and TechnologySt.-Petersburg, pp. 502-505 (2000).

40*] Asli N., Gastev S.V., Grekhov I.V., Seegebrecht P., Shulekin A.F., Tyaginov S.E., Vexler M.I., Zimmermann H. Luminescence measurements on MOS tunnel diodes as a method of finding the photon emission rates in Silicon. Materials Science in Semiconductor Processing, v. 3, pp. 539-543 (2000).

41*] Asli N., Vexler M.I., Shulekin A.F., Yoder P.D., Grekhov I.V., Seege-brecht P. Threshold energies in the light emission characteristics of silicon MOS tunnel diodes. Book of Abstracts of the 11th Workshop on Dielectrics in Microelectronics (WoDiM), pp. 80-81, Munich, Germany (2000).

42*] Vexler M.I., Shulekin A.F., Dieker Ch., Zaporojtschenko V., Zimmer-mann H., Jager W., Grekhov I.V., Seegebrecht P. Current model considering oxide thickness non-uniformity in a MOS tunnel structure. Solid-State Electronics, v. 45, No. 1, pp. 19-25 (2001).

43*] Asli N., Vexler M.I., Shulekin A.F., Yoder P.D., Grekhov I.V., Seegebrecht P. Threshold energies in the light emission characteristics of silicon MOS tunnel diodes. Microel. Reliability, v. 41,.No. 7, pp. 1071-1076 (2001).

44*] Vexler M.I., Asli N., Shulekin A.F., Meinerzhagen В., Seegebrecht P. Compact quantum model for a silicon MOS tunnel diode. Proceedings of the Biannual Conference on INsulating Films On Semiconductors -INFOS'2001, Udine, Italy, pp. 61-62 (2001).

45*] Vexler M.I., Asli N., Shulekin A.F., Meinerzhagen В., Seegebrecht P. Compact quantum model for a silicon MOS tunnel diode. Microelect. Eng., v. 59, pp. 161-166 (2001).

46*] El Hdiy A., Vexler M.I., Kareva G.G., Meinerzhagen В., Khlil R., Ziane Dj. Valence-band-electron tunneling in a MOS diode on heavy doped substrate. Proceedings of the 3rd European Workshop on ULtimate Integration of Silicon - ULIS, Munich, Germany, pp. 151-154 (2002).

47*] Карева Г.Г., Векслер М.И., Грехов И.В., Шулекин А.Ф. Туннелирование электронов через двойной барьер в структуре металл-окисел-кремний при обратном смещении. ФТП, т. 36, вып. 8, стр. 953-958 (2002).

48*] Kareva G.G., Vexler M.I., Grekhov I.V., Shulekin A.F. Resonant tunneling metal-oxide-silicon nanostructure. Proceedings of the ltfh International Symposium "Nanostructures: Physics and TechnologySt.-Petersburg, pp. 570-573 (2002).

49*] Grgec D., Vexler M.I., Jungemann C., Meinerzhagen B. Efficient Monte Carlo simulation of tunnel currents in MOS structures. Proceedings of the 32nd European Solid-State Device Research Conference (ESSDERC), Firenze, Italy, pp. 179-182 (2002).

50*] Asli N., Vexler M.I., Shulekin A.F., Seegebrecht P. Hot-electron-induced luminescence of metal-oxide-semiconductor tunnel devices. Semicond. Sci. TechnoL, v. 18, pp. 147-153 (2003).

51*] El Hdiy A., Khlil R., Ziane Dj., Grekhov I.V., Shulekin A.F., Vexler M.I. Impact of the band-band tunneling in silicon on electrical characteristics of Al/Si02/p+-Si structures with the sub-3 nm oxide under positive bias. Solid-State Electronics, v. 47, No. 4, pp. 617-620 (2003).

52*] Vexler M.I. A simple quantum model for the MOS structure in accumulation mode. Solid-State Electronics, v. 47, No. 8, pp. 1283-1287 (2003).

53*] Vexler M.I., Shulekin A.F., Grgec D., Grekhov I.V., Meinerzhagen B. Band-to-band tunneling related effects in a thin MOS structure. Abstract book of the l&h Conference on INsulating Films On Semiconductors - INFOS, GS-25, Barcelona, Spain (2003).

54*] Asli N., Shulekin A.F., Yoder P.D., Vexler M.I., Grekhov I.V., Seegebrecht P. Overview of luminescence from MOS tunnel devices. Proceedings of the 33rd European Solid-State Device Research Conference (ESSDERC), Estoril, Portugal, pp. 545-548 (2003).

55*] Khlil R., El Hdiy A., Shulekin A.F., Tyaginov S.E., Vexler M.I. Soft breakdown of MOS tunnel diodes with a spatially non-uniform oxide thickness. Microelectronics Reliability, v. 44, No. 3, pp. 543-546 (2004).

56*] Asli N., Shulekin A.F., Yoder P.D., Vexler M.I., Grekhov I.V., Seegebrecht P. Impact of oxide damage on the light emission properties of MOS tunnel structures. Solid-State Electronics, v. 48, No. 5, pp. 731-737 (2004).

57*] Шулекин А.Ф., Тягинов С.Э., Khlil R., El Hdiy А., Векслер М.И. Мягкий пробой как причина спада тока в туннельной МОП структуре. ФТП, т. 38, вып. 6, стр. 753-756 (2004).

58*] Vexler M.I., Shulekin A.F., Grgec D., Grekhov I.V., Meinerzhagen B. Band-to-band tunneling related effects in a thin MOS structure. Microelect.

Eng., v. 72, pp. 180-184 (2004).

59*] Asli N., Векслер М.И., Грехов И.В., Seegebrecht P., Тягинов С.Э., Шулекин А.Ф. Излучательная рекомбинация в кремниевой туннельной МОП-структуре. ФТП, т. 38, вып. 9, стр. 1068-1073 (2004).

60*] Тягинов С.Э., Векслер М.И., Шулекин А.Ф., Грехов И.В. Влияние пространственной неоднородности толщины диэлектрика на воль-тамперные характеристики туннельных МОП структур. Письма в ЖТФ, т. 30, вып. 24, стр. 7-11 (2004).

61*] Тягинов С.Э., Асли Н., Векслер М.И., Шулекин А.Ф., Сеегебрехт П., Грехов И.В. Мониторинг интенсивности люминесценции туннельной МОП структуры с пространственно неоднородной толщиной диэлектрика. Письма в ЖТФ, т. 31, вып. 8, стр. 47-51 (2005).

62*] Tyaginov S.E., Vexler M.I., Shulekin A.F., Grekhov I.V. Statistical analysis of tunnel currents in scaled MOS structures with a non-uniform oxide thickness distribution. Solid-State Electronics, v. 49, No. 7, pp. 11921197 (2005).

63*] El Hdiy A., Khlil R., Jin Y., Tyaginov S.E., Shulekin A.F., Vexler M.I. An aluminum-gate metal-oxide-silicon capacitor with a tunnel-thin oxide under the bidirectional electric stress. J. Appl. Phys., v. 98, Paper No. 024501 [5 pages] (2005).

64*] Векслер М.И., Грехов И.В., Шулекин А.Ф. О влиянии поперечного квантования на электрические характеристики туннельной МОП-структуры субмикронных размеров. ФТП, т. 39, вып. 12, стр. 1430-1435 (2005).

65*] Yoder P.D., Vexler M.I., Shulekin A.F., Asli N., Gastev S.V., Grekhov I.V., Seegebrecht P., Tyaginov S.E., Zimmermann H. Luminescence spectra of an Al/Si02/p-Si tunnel metal-oxide-semiconductor structure. J. Appl. Phys., v. 98, Paper No. 083511 [12 pages] (2005).

66*] Vexler M.I., Electrical and optical properties of silicon MOS tunnel structures. Abstracts of the Humboldt-Kolleg conference "Technologies of the 21st century: biological, physical, informational and social aspects", St.-Petersburg, pp. 108-110 (2005).

67*] Vexler M.I., Tyaginov S.E., Shulekin A.F. Determination of the hole effective mass in thin silicon dioxide film by means of an analysis of characteristics of a MOS tunnel emitter transistor. J. Phys.: Condens. Matter, v. 17, No. 50, pp. 8057-8068 (2005).

68*] Vexler M.I., El Hdiy A., Grgec D., Tyaginov S.E., Khlil R., Meinerz-hagen В., Shulekin A.F., Grekhov I.V. Tunnel charge transport within silicon in reversely-biased MOS tunnel structures. Microelectronics Journal, v. 37, No. 2, pp. 114-120 (2006).

69*] Тягинов С.Э., Векслер М.И., Шулекин А.Ф., Грехов И.В. Влияние неоднородности толщины диэлектрика на переключение туннельной МОП структуры Al/Si02/n-Si при обратном смещении. ФТП, т. 40, вып. 3, стр. 314-318 (2006).

70*] Векслер М.И., Тягинов С.Э., Шулекин А.Ф. Транзистор с туннельным МОП эмиттером как инструмент для определения эффективной массы дырки в тонкой пленке диоксида кремния. ФТП, т. 40, вып. 4, стр. 498-503 (2006).

71*] Tyaginov S.E., Vexler M.I., Shulekin A.F., Grekhov I.V. Effect of the spatial distribution of Si02 thickness on the switching behavior of bistable MOS tunnel structures. Microelect. Eng., v. 83, No. 2, pp. 376-380 (2006).

72*] Tyaginov S.E., Vexler M.I., Shulekin A.F., Grekhov I.V. The post-damage behavior of a MOS tunnel emitter transistor. Microelectronics Reliability (2006) accepted for publication.

73*] Vexler M.I. Simulation of current-voltage characteristics of a MOS structure considering the tunnel transport of carriers in semiconductor. J. Phys. D: Appl. Phys., v. 39, No. 1, pp. 61-65 (2006).

1. Д. И. Блохинцев, Основы квантовой механики, М.: Высшая школа (1961).

2. V. Mitin, V. Kochenlap, М. A. Stroscio, Quantum heterostructures: microelectronics and optoelectronics, Cambridge Univ. Press (1999).

3. A. G. Milnes, D. L. Feucht, Heterojunctions and Metal-Semiconductor Junctions, Academic Press, New York and London (1972).

4. R. B. Laughlin, Optical absorption edge of Si02, Phys. Rev. В, v. B22, No. 6, pp. 3021-3029 (1980).5. http://semiconductorglossary. com/

5. R. H. Fowler, L. Nordheim, Electron emission in intense electric fields, Roy. Soc. Proc., v. 119A, pp. 173-181 (1928).

6. M. Depas, B. Vermeire, P. W. Mertens, M. Meuris, M. M. Heyns, Wear-out of ultra-thin gate oxides during high-field electron tunneling, Semi-cond. Sci. Technol., v. 10, No. 6, pp. 753-758 (1995).

7. N. Asli, Experimentelle Untersuchung der Elektrolumineszenz von MOS-Tunnelstrukturen, PhD Dissertation, Kiel Univ., Germany (2004).

8. И. В. Грехов, E. В. Остроумова, А. А. Рогачев, А. Ф. Шулекин, Кремниевый оже-транзистор с туннельным МОП-эмиттером и индуцированной базой, Письма в ЖТФ, т. 17, вып. 13, стр. 44-48 (1991).

9. S. К. Lai, P. V. Dressendorfer, Т. P. Ma, R. С. Barker, Optically induced bistable states in metal/tunnel oxide/semiconductor (MTOS) junctions, Appl. Phys. Lett., v. 38, No. 1, pp. 41-44 (1981).

10. P. Маллер, Т. Кейминс, Элементы интегральных схем, пер. с англ., М.: Мир (1989) 630 стр.

11. В. Ф. Сыноров, Ю. С. Чистов, Физика МДП-структур (Учеб. пособие), Воронеж, изд-во ВГУ (1989).

12. В. В. Голубев, С. А. Сухотин, МДП-структуры и их применение (Учеб. пособие), изд-во СПбГТУ, СПб (1993).

13. С. Зи, Физика полупроводниковых приборов, пер. с англ., в 2 кн., М.: Мир (1984).

14. А. П. Барабан, В. В. Булавинов, П. П. Коноров, Электроника слоев SiO2 на кремнии, JL, изд-во ЛГУ (1988).

15. W. Е. Dahlke, S. М. Sze, Tunneling in metal-oxide-silicon structures, Solid-State Electron., v. 10, No. 8, pp. 865-873 (1967).

16. M. A. Green, F. D. King, J. Shewchun, Minority carrier MIS tunnel diodes and their application to electron and photovoltaic energy conversion, Solid-State Electron., v. 17, No. 6, I- Theory, pp. 551-562; II- Experiment, pp. 563-572 (1974).

17. M. A. Green, J. Shewchun, Current multiplication in metal-insulator-semiconductor (MIS) tunnel diodes, Solid-State Electron., v. 17, No. 4, pp. 349-365 (1974).

18. J. Shewchun, A. Waxman, G. Warfield, Tunneling in MIS structures, Solid-State Electron., v. 10, No. 12,1- Theory, pp. 1169-1186; II- Experimental results on M-Si02-Si, pp. 1187-1198 (1967).

19. J. Schewchun, Kapitel "Die nichtentartete MIS Tunneldiode" in Halb-leiterbauelementeelektronik, Akademie-Verlag, Berlin (1977).

20. Туннельные явления в твердых телах, под ред. Э. Бурштейна и С. Лундквиста, пер. с англ. М.: Мир (1973).

21. W. A. Harrison, Tunneling from an independent partice point of view, Phys. Rev., v. 123, No. 1, pp. 85-89 (1961).

22. J. G. Simmons, Generalized formula for the electric tunnel effect between similar electrodes separated by a thin insulating film, J. Appl. Phys., v. 34, No. 6, pp. 1793-1803 (1963).

23. D. J. BenDaniel, С. B. Duke, Space-charge effects on electron tunneling, Phys. Rev., v. 152, No. 2, pp. 683-692 (1966).

24. L. Esaki, New phenomenon in narrow germanium p-n junctions, Phys. Rev., v. 109, No. 2, pp. 603-604 (1958).

25. А. Я. Буль, А. В. Саченко, Фотоэлектрические свойства структур металл-диэлектрик-полупроводник с туннельно-прозрачным слоем диэлектрика (обзор), ФТП, т. 17, вып. 8, стр. 1361-1375 (1983).

26. Н. С. Card, Е. Н. Rhoderick, Studies of tunnel MOS diodes I. Interface effects in silicon Schottky diodes, J. Phys. D.: Appl. Phys., v. 4, No. 10, pp. 1589-1601 (1971).

27. S. Jain, W. E. Dahlke, Measurement and characterization of interface state tunneling in metal-insulator-silicon structures, Solid-State Electron., v. 29, No. 6, pp. 597-606 (1986).

28. E. R. Fossum, R. C. Barker, Measurement of hole leakage and impact ionization currents in bistable metal tunnel oxide - semiconductor junctions, IEEE Trans. Electron Devices, v. ED-31, No. 9, pp. 11681174 (1984).

29. P. V. Halen, R. P. Mertens, R. J. V. Overstraeten, R. E. Thomas, J. V. Meerberger, New TiOx-MIS and Si02-MIS silicon solar cells, IEEE Trans, on Electron Devices, v. ED-25, No. 5 pp. 507-511 (1978).

30. J. G. Simmons, G. W. Taylor, Concepts of gain at an oxide-semiconductor interface and their applications to the TETRAN a Tunnel Emitter TRANsistor - and to the MIS switching device, Solid-State Electron., v. 29, No. 3, pp. 287-303 (1986).

31. H. Kisaki, Tunnel transistor, Proc. IEEE, v. 61, No. 7, pp. 1053-1054 (1973).

32. M. K. Moravvej-Farshi, M. A. Green, Operational silicon bipolar inversion channel field-effect transistor (BICFET), IEEE Trans. Electron Devices, v. EDL-7, No. 5, pp. 513-515 (1986).

33. N. G. Tarr, D. L. Pulfrey, D. S. Camporese, An analytic model for the MIS tunnel junction, IEEE Trans. Electron Devices, v. ED-30, No. 12, pp. 1760-1770 (1983).

34. К. M. Chu, D. L. Pulfrey, An analysis of the DC and small-signal AC performance of the tunnel emitter transistor, IEEE Trans. Electron Devices, v. ED-35, No. 2, pp. 188-194 (1988).

35. C. Y. Chang, S. J. Wang, On the minority carrier quasi-Fermi level in metal-oxide-semiconductor tunnel structures, Solid-State Electron., v. 29, No. 3, pp. 339-354 (1986).

36. H. C. Card, Potential barriers to electron tunneling in ultra-thin films of Si02, Solid-State Commun., v. 14, No. 10, pp. 1011-1014 (1974).

37. P. V. Dressendorfer, R. C. Barker, Photoemission measurements of interface barrier energies for tunnel oxides on Silicon, Appl. Phys. Lett., v. 36, No. 11, pp. 933-935 (1980).

38. L. A. Kasprzak, R. B. Laibowitz, M. Ohring, Dependence of the Si-Si02 barrier height on Si02 thickness in MOS tunnel structures, J. Appl. Phys., v. 48, No. 10, pp. 4281-4286 (1977).

39. Т. Андо, А. В. Фаулер, Ф. Стерн, Электронные свойства двумерных систем гл. 3], пер. с англ., М., Мир (1985).

40. Е. В. Остроумова, А. А. Рогачев, Простая модель оже-транзистора, ФТП, т. 28, вып. 8, стр. 1411-1423 (1994).

41. Е. В. Остроумова, А. А. Рогачев, Высокочастотные неустойчивости тока в кремниевом оже-транзисторе, ФТП, т. 33, вып. 9, стр. 11261129 (1999).

42. I. С. Chen, S. Holland, К. K. Young, C. Chang, C. Hu, Substrate hole current and oxide breakdown, Appl. Phys. Lett, v. 49, No. 11, pp. 669671 (1986).

43. Y. Hokari, T. Baba, N. Kawamura, Reliability of 6-10 nm thermal Si02 films showing intrinsic dielectric integrity, IEEE Trans. Electron Devices, v. ED-32, No. 11, pp. 2485-2491 (1985).

44. J. Bude, K. Hess, G. J. Iafrate, Impact ionization in semiconductors: effect of high electric field and high scattering rates, Phys. Rev. В., v. B45, No. 19, pp. 10958-10964 (1992).

45. E. Cartier, M. V. Fischetti, E. A. Eklund, F. R. McFeely, Impact ionization in silicon, Appl. Phys. Lett, v. 62, No. 25, pp. 3339-3341 (1993).

46. W. E. Drummond, J. L. Moll, Hot carriers in Si and Ge radiation detectors, J. Appl. Phys., v. 42, No. 13, pp. 5556-5562 (1971).

47. W. N. Grant, Electron and hole ionization rates in epitaxial silicon at high electric fields, Solid-State Electron., v. 16, No. 10, pp. 1189-1203 (1973).

48. G. Deboy, J. Kolzer, Fundamentals of light emission from silicon devices, Semicond. Sci. Technol, v. 9, No. 5, pp. 1017-1032 (1994).

49. J. Bude, N. Sano, A. Yoshii, Hot-carrier luminescence in Si, Phys. Rev. В, v. B45, No. 11, pp. 5848-5856 (1992).

50. E. O. Kane, Theory of tunneling, J. Appl. Phys., v. 32, No. 1, pp. 83-91 (1961).

51. A. Schenk, Rigorous theory and simplified model of the band-to-band tunneling in silicon, Solid-State Electron., v. 36, No. 1, pp. 19-34 (1993).

52. G. A. M. Hurkx, D. В. M. Klaassen, M. P. G. Knuvers, A new recombination model for device simulation including tunneling, IEEE Trans. Electron Devices, v. ED-39, No. 2, pp. 331-338 (1992).

53. A. von Schwerin, W. Bergner, H. Jacobs, Self-consistent simulation of hot-carrier damage enhanced gate induced drain leakage, I EDM Techn. Dig., paper 20.6.1 (1992).

54. R. Degraeve, Reliability of ultra-thin oxide gate dielectrics (tutorial),

55. European Symposium on Reliability of Electron Devices, Failure Physics and Analysis, Leuven, IMEC (1998).

56. M. Depas, T. Nigam, M. M. Heyns, Soft breakdown of ultra-thin gate oxide layers, IEEE Trans. Electron Devices, v. ED-43, No. 9, pp. 14991504 (1996).

57. M. Depas, B. Vermeire, M. M. Heyns, Breakdown and defect generation in ultrathin gate oxide, J. Appl. Phys., v. 80, No. 1, pp. 382-387 (1996).

58. D. J. DiMaria, D. Arnold, E. Cartier, Degradation and breakdown of silicon dioxide films on silicon, Appl. Phys. Lett., v. 61, No. 19, pp. 2329-2331 (1992).

59. D. J. DiMaria, E. Cartier, D. Arnold, Impact ionization, trap creation, degradation and breakdown of silicon dioxide films on silicon, J. Appl. Phys., v. 73, No. 7, pp. 3367-3384 (1993).

60. D. J. DiMaria, T. N. Theis, J. R. Kirtley, F. L. Pesavento, D. V. Dong, Electron heating in silicon dioxide and off-stoichiometric silicon dioxide films, J. Appl. Phys., v. 57, No. 4, pp. 1214-1238 (1985).

61. J. Lee, I. Chen, C. Hu, Modeling and characterization of gate oxide reliability, IEEE Trans. Electron Devices, v. ED-35, No. 12, pp. 22682278 (1988).

62. K. Nagai, Y. Hayashi, Performance optimization of thin-gate oxide MOSFET's, Solid-State Electron., v. 33, No. 2, pp. 223-226 (1990).

63. K. Yamabe, K. Taniguchi, Time-dependent dielectric breakdowm of thin thermally grown SiC^ films, IEEE J. Solid-State Circuits, v. SC-20, No. 2, pp. 343-348 (1985).

64. M. Depas, T. Nigam, M. M. Heyns, Definition of dielectric breakdown for ultra thin (<2 nm) gate oxides, Solid-State Electron., v. 41, No. 5, pp. 725-728 (1997).

65. К. R. Farmer, M. 0. Andersson, О. Engstrom, Tunnel electron induced charge generation in very thin silicon oxide dielectrics, Appl. Phys. Lett., v. 58, No. 23, pp 2666-2668 (1991).

66. R. Ludeke, Hot-electron effects and oxide degradation in MOS structures studied with ballistic electron emission microscopy, IBM J. Res. Develop., v. 44, No. 4, pp. 517-534 (2000).

67. N. Yang, J. J. Wortman, A study of the effects of tunneling currents and reliability of sub-2nm gate oxides on scaled n-MOSFETs, Microelectron. Reliab., v. 41, No. 1 pp. 37-46 (2001).

68. B. Yuwono, T. Schlosser, A. Gschwandtner, G. Innertsberger, A. Grassl, A. Olbrich, W. H. Krautschneider, Reliability of ultra thin oxide and nitride films in the 1 nm to 2 nm range, Microelectron. Eng., v. 48, No. 1-4, pp. 51-54 (1999).

69. E. Banget, G. Landwehr, Self-consistent calculations of electric sub-bands in p-type silicon inversion layers, Surf. Sci., v. 58, No. 1, pp. 138-140 (1976).

70. C. Moglestue, Self-consistent calculation of electron and hole inversion charges at silicon silicon dioxide interfaces, J. Appl. Phys., v. 59, No. 9, pp. 3175-3183 (1986).

71. J. Sune, P. Olivo, B. Ricco, Self-consistent solution of the Poisson and Schrodinger equations in accumulated semiconductor-insulator interfaces, J. Appl. Phys., v. 70, No. 1, pp. 337-345 (1991).

72. J. Sune, P. Olivo, B. Ricco, Quantum-mechanical modeling of accumulation layers in MOS structure, IEEE Trans. Electron Devices, v. ED-39, No. 7, pp. 1732-1739 (1992).

73. H. S. Momose, M. Ono, T. Yoshitomi, T. Ohguro, S. Nakamura, M. Saito, H. Iwai, 1.5-nm direct-tunneling gate oxide Si MOSFETs, IEEE Trans. Electron Devices, v. ED-43, No. 8, pp. 1233-1242 (1996).

74. D. A. Buchanan, D. J. DiMaria, C-A. Chang, Y. Taur, Defect generation in 3.5 nm silicon dioxide films, Appl. Phys. Lett., v. 65, No. 14, pp. 1820-1822 (1994).

75. G. Timp, A. Agarwal, F. H. Baumann, T. Boone, M. Buonanno et al., Low-leakage, ultra-thin gate oxides for extremely high performance sub-lOOnm nMOSFETs, IEDM Techn. Dig., pp. 930-933 (1997).

76. G. C. F. Yeap, Q. Xiang, M. Song, K. Ahmed, D. Bang, E. Ibok, M. R. Lin, Sub-100 nm nMOSFETs with direct tunneling thermal, nitrous and nitric oxides, Proc. 5&h Ann. Dev. Res. Conf., pp. 10-11 (1998).

77. H. S. Momose, E. Morifuji, T. Yoshitomi, T. Ohguro, M. Saito, T. Morimoto, Y. Katsumata, H. Iwai, High-frequency AC characteristics of 1.5 nm gate oxide MOSFETs, IEDM Techn. Dig., pp. 105-108 (1996).

78. H. S. Momose, M. Ono, T. Yoshitomi, T. Ohguro, S. Nakamura, M. Saito, H. Iwai, Prospects for low-power, high-speed MPUs using 1.5 nm direct-tunneling gate oxide MOSFETs, Solid-State Electron., v. 41, No. 5, pp. 707-714 (1997).

79. M. S. Krishnan, L. Chang, T-J. King, J. Bokor, C. Hu, MOSFETs with 9 to 13 A thick gate oxides, IEDM Techn. Dig., pp. 241-244 (1999).

80. H. Iwai, H. S. Momose, Ultra-thin gate oxide performance and reliability, IEDM Techn. Dig., pp. 163-166 (1998).

81. A. Asenov, A. R. Brown, J. R. Watling, Modeling end-of-the-roadmap transistors, Proc. 203rd Meeting of the Electrochem. Soc., Paris, France pp. 306-321 (2003).

82. T. Ghani, S. Ahmed, P. Aminzadeh, J. Bielefeld, P. Charvat et al., 100 nm gate length high-performance/low power CMOS transistor structure, IEDM Techn. Dig., pp. 415-418 (1999).

83. H. S. Momose, T. Ohguro, E. Morifuji, H. Sugaya, S. Nakamura, H. Iwai, Ultrathin gate oxide CMOS with nondoped selective epitaxial Si channel layer, IEEE Trans. Electron Dev., v. ED-45, No. 6, pp. 11361144 (2001).

84. Q. Xiang, G. Yeap, D. Bang, M. Song, K. Ahmed, E. Ibok, M.-R. Lin, Performance and reliability of sub-100 nm MOSFETs with ultra thin direct tunneling gate oxides, Proc. of the Symp. on VLSI Tech., pp. 160-161 (1998).

85. Silicon. 65-Nanometer technology (Intel), http://www.intel.com/technology/silicon/65nmtechnology.htm.

86. Sony and Toshiba to develop 45-nanometer process technologies for next generation system LSI,http://www.sony.net/SonyInfo/News/PressArchive/200402/04-0212Е/.

87. Intel's high-K/Metal Gate Announcement, Nov. 4th 2003, available at: ftp://download.intel.com/technology/silicon /HighK-MetalGate-PressFoils-final.pdf.

88. G. Groeseneken, B. Kaczer (eds.), Ц1Н biennial Conference on INsulating Films On Semiconductors, Microelect. Eng., v. 80, No. 14, pp. 1-475 (2005).

89. P. Hurley (ed.), Workshop on Dielectrics in Microelectronics, Microelectronics Reliability, v. 45, No. 5-6, pp. 767-1020 (2005).

90. С. T. Lui, Circuit requirement and processing challenges of thin gate dielectrics for ultra-small FET's, IEDM Techn. Dig., pp. 747-750 (1998).

91. F. Monsieur, Degradation mechanisms during the ultrathin oxide breakdown, Abstract book of INFOS '03, IT-1, Barcelona, Spain (2003).

92. Y. Taur, The incredible shrinking transistor, IEEE Spectrum, v. 36, No. 7, pp. 25-29 (1999).

93. P. П. Сейсян, Нанолитография СБИС в экстремально дальнем вакуумном ультрафиолете (обзор), ЖТФ, т. 75, вып. 5, стр. 1-13 (2005).

94. М. G. Ancona, Z. Yu, R. W. Dutton, P. J. Vande Voorde, M. Cao, D. Vook, Density-gradient analysis of MOS tunneling, IEEE Trans. Electron Devices, v. ED-47, No. 12, pp. 2310-2319 (2000).

95. A. Faigon, F. Campabadal, A semi-empirical model for the tunnel current-voltage characteristics in Al-Si02-Si(p) structures, Solid-State Electron., v. 39, No. 2, pp. 251-260 (1996).

96. Khairurrijal, M. Mizubayashi, M. Hirose, Analytic model of direct tunnel current through ultrathin gate oxides, J. Appl. Phys., v. 87, No. 6, pp. 3000-3005 (2000).

97. P. О'Sullivan, R. Clerc, K. McCarthy, A. Mathewson, G. Ghibaudo, Direct tunneling models for circuit simulation, Abstr. Book of WoDiM, Miinchen, Germany, pp. 12-13 (2000).

98. L. F. Register, E. Rosenbaum, K. Yang, Analytic model for direct tunneling current in polycrystalline silicon-gate metal-oxide-semiconductor devices, Appl. Phys. Lett., v. 74, No. 3, pp. 457-459 (1999).

99. A. Schenk, G. Heiser, Modeling and simulation of tunneling through ultrathin gate dielectrics, J. Appl Phys., v. 81, No. 12, pp. 7900-7908 (1997).

100. N. Yang, W. K. Henson, J. R. Hauser, J. J. Wortman, Modeling study of ultrathin gate oxides using direct tunneling current and capacitance-voltage measurements in MOS devices, IEEE Trans. Electron Devices, v. 46, No. 7, pp. 1464-1471 (1999).

101. J.-L. Zhang, J. S. Yuan, Y. Ma, A. S. Oates, Modeling of direct tunneling and surface roughness effects on C-V characteristics of ultrathin gate capacitors, Solid-State Electron., v. 45, No. 2, pp. 373-377 (2001).

102. A. Ghetti, A. Hamad, P. J. Silverman, H. Vaidya, N. Zhao, Self-consistent simulation of quantization effects and tunneling current in ultra-thin gate oxide MOS devices, Proc. SISPAD Conf'., Kyoto, Japan, pp. 239-242 (1999).

103. J. Robertson, Band structures and band offsets of high К dielectrics on Si, Appl. Surf. Sci., v. 190, No. 1-4, pp. 2-10 (2002).

104. E. M. Vogel, K. Z. Ahmed, B. Hornung, W. K. Henson, P. K. McLarty, G. Lucovsky, J. R. Hauser, J. J. Wortman, Modeled tunnel currents for high dielectic constant dielectics, IEEE Trans. Electron Dev., v. ED-45, No. 6, pp. 1350-1355 (1998).

105. G. D. Wilk, R. M. Wallace, J. M. Anthony, High-k date dielectrics: current status and materials properties considerations, J. Appl. Phys., v. 89, No. 10, pp. 5243-5275 (2001).

106. Y.-C. Yeo, T.-J. King, C. Hu, Direct tunneling leakage current and scalability of alternative gate dielectrics, Appl. Phys. Lett., v. 81, No. 11, pp. 2091-2093 (2002).

107. E. Aderstedt, I. Medugorac, P. Lundgren, High-gain MOS tunnel emitter transistor, Solid-State Electron., v. 46, No. 4, pp. 497-500 (2002).

108. A. Ghetti, C.-T. Liu, M. Mastrapasqua, E. Sangiorgi, Characterization of tunneling currents in ultra-thin gate oxide, Solid-State Electron., v. 44, No. 9, pp. 1523-1531 (2000).

109. G. D. Wilk, B. Brar, Electrical characteristics of high-quality sub-25-А oxides grown by ultraviolet ozone exposure at low temperature, IEEE Electron Dev. Lett., v. EDL-20, No. 3, pp. 132-134 (1999).

110. A. Schenk, Advanced physical models for silicon device simulation, Springer, Wien (1998).

111. S. H. Lo, D. A. Buchanan, Y. Taur, Modeling and characterization of quantization, polysilicon depletion and direct tunneling effects in MOSFETs with ultrathin oxides, IBM J. Res. Develop., v. 43, No. 3, pp. 327-337 (1999).

112. L. Smith, Direct tunneling in MEDICI, T С AD-Times, v. XII, No. 1, pp. 1-8 (2000).

113. C.-H. Choi, J.-S. Goo, T.-Y. Oh, Z. Yu, R. W. Dutton, A. Bayoumi, M. Cao, P. V Voorde, D. Vook, С. H. Diaz, MOS C-V characterization of ultrathin gate oxide thickness (1.3-1.8 nm), IEEE Electron Device Lett., v. EDL-20, No. 6, pp. 292-294 (1999).

114. T. Yoshimoto, K. Matsumoto, K. Sakamoto, T. Sakata, Si Metal -Insulator Semiconductor Tunnel Emitter Transistor (Si MIS TET), Jpn. J. Appl. Phys., v. 30, No. 12A, pp. L2012-L2014 (1991).

115. T. Yoshimoto, K. Suzuki, A high current gain Si metal insulator semiconductor tunnel emitter transistor, Jpn. J. Appl. Phys., v. 32, No. 2A, pp. L180-L182 (1993).

116. E. Aderstedt, P. Lundgren, High-frequency operation potential of the tunnel emitter transistor, Solid-State Electron., v. 46, No. 7, pp. 10331037 (2002).

117. B. Yu, D.-H. Ju, W.-C. Lee, N. Kepler, T.-J. King, C. Hu, Gate engineering for deep-submicron CMOS transistors, IEEE Trans. Electron Dev., v. ED-45, No. 6, pp. 1253-1262 (1998).

118. R. Komaragiri, F. Zaunert, U. Schwalke, Gate engineering for high-fo dielectric and ultra-thin gate oxide CMOS technologies, Proc. of the

119. Workshop on Semiconductor Advances for Future Electronics (SAFE), Veldhoven, The Netherland, pp. 704-709 (2004).

120. A. Kawamoto, J. Jameson, K. Cho, R. W. Dutton, Challenges for atomic scale modeling in alternative gate stack engineering, IEEE Trans. Electron Dev., v. ED-47, No. 10, pp. 1787-1794 (2000).

121. И. В. Грехов, E. В. Остроумова, Инжекционная способность МОП-эмиттера с туннельнотонким слоем окисла при больших плотностях тока, Письма в ЖТФ, т. 12, вып. 19, стр. 1209-1212 (1986).

122. А. Я. Буль, Т. JL Макарова, В. Ю. Осипов, Ю. С. Зинчик, С. К. Бойцов, Кинетика окисления кремния и структура окисных слоев толщиной менее 50 ангстрем, ФТП, т. 26, вып. 1, стр. 111-121 (1992).

123. J. Maserjian, in The physics and chemistry of SiOi and the Si-SiOi interface, New York, Plenum (1988).

124. M. C. Vecchi, M. Rudan, Modeling electron and hole transport with full-band structure effects by means of the spherical-harmonics expansion of the BTE, IEEE Trans. Electron Devices, v. ED-45, No. 1, pp. 230-238 (1998).

125. Г. Г. Карева, Превращение структуры металл-окисел-кремний в резонансно-туннельную структуру с квазинульмерными квантованными состояниями, ФТП, т. 33, вып. 8, стр. 969-972 (1999).

126. Z. A. Weinberg, Tunneling of electrons from Si into thermally grown Si02, Solid-State Electron., v. 20, No. 1, pp. 11-18 (1977).

127. J. D. Cressler, D. D. Tang, K. A. Jenkins, G-P. Li, E. S. Yang, On the low-temperature state and dynamic properties of high-performance silicon bipolar transistors, IEEE Trans. Electron Devices, v. ED-36, No. 8, pp. 1489-1502 (1989).

128. R. Singh, B. J. Baliga, Cryogenic operation of power bipolar transistors, Solid-State Electron., v. 39, No. 1, pp. 101-108 (1996).

129. H. Kroemer, Heterostructure bipolar transistors and integrated circuits, IEEE Proc., v. 70, No. 1, pp. 13-25 (1982) и ссылка 34] там.

130. S. Tiwari, W. I. Wang, J. R. East, An analytic theory of the Auger transistor: a hot electron bipolar transistor, IEEE Trans. Electron Devices, v. ED-37, No. 4, pp. 1121-1131 (1990).

131. А. Блихер, Физика тиристоров, JI.: Энергоиздат Ленингр. отд. (1982).

132. S. E-D. Habib, J. G. Simmons, Theory of switching in p-n insulator (tunnel) - metal devices, Solid-State Electron., v. 22, No. 2, pp. 181-192 (1979).

133. W. K. Choi, A. E. Owen, A thyristor model of switching in metal -thin insulator semiconductor - semiconductor devices: the influence of insulating layer and illumination, J. Appl. Phys., v. 68, No. 12, pp. 6447-6452 (1990).

134. W. K. Choi, J. J. De Lima, A. E. Owen, S. Reynolds, A phenomeno-logical model of switching in metal thin insulator - semiconductor devices: a development of the analogy with thyristor, J. Appl. Phys., v. 65, No. 5, pp. 2102-2110 (1989).

135. J. P. Shiely, Simulation of tunneling in MOS devices, PhD Dissertation, Duke Univ, NC, USA (1999).

136. А. А. Величко, С. К. Ноак, Структура и свойства эпитаксиальных пленок фторидов, полученных методом молекулярно-лучевой эпи-таксии, Обзоры по электронной технике. Сер. 3. Микроэлектроника, вып. 7(1397), 48 стр. (1986).

137. N. S. Sokolov, N. L. Yakovlev, J. Almeida, Photoluminescence of Eu2+ and Sm2+ ions in CaF2 pseudomorphic layers grown by MBE on Si(lll), Solid-State Commun., v. 76, No. 7, pp. 883-885 (1990).

138. L. J. Schowalter, R. W. Fathauer, Molecular beam epitaxy growth and applications of epitaxial fluoride films, J. Vac. Sci. Technol., v. A4, No. 3, Pt. 1, pp. 1026-1032 (1986).

139. N. S. Sokolov, J. C. Alvarez, N. L. Yakovlev, Fluoride layers and superlattices grown by MBE on Si(lll): dynamic RHEED and Sm2+ photoluminescence studies, Appl. Surf. Sci., v. 60-61, pp. 421-425 (1992).

140. Special issue on silicon carbide electronic devices, IEEE Trans. Electron Dev., v. ED-46, No. 3 (1999).

141. S. E. Saddow, A. Agarwal (eds.), Advances in Silicon Carbide processing and applications, Artech House, Inc., Boston-London (2004).

142. M. Weimer, J. Kramar, J. D. Baldeschwieler, Band bending and the apparent barrier height in scanning tunneling microscopy, Phys. Rev. В, v. B39, No. 8, pp. 5572-5580 (1989). .

143. W. J. Kaiser, L. D. Bell, M. N. Hecht, F. J. Grunthaner, Scanning tunneling microscopy characterization of the geometric and electronic structure of hygrogen-terminated silicon surfaces, J. Vac. Sci. Technol, v. 6, No. 2, pp. 519-523 (1988).

144. R. М. Silver, J. A. Dagata, W. J. Tseng, Ambient and vacuum scanning tunneling spectroscopy of sulphur- and' oxygen- terminated gallium arsenide, J. Appl. Phys., v. 76, No. 9, pp. 5122-5131 (1994).

145. Л. Д. Ландау, E. M. Лифшиц, Квантовая механика: нерелятивистская теория (Теоретическая физика, т. 3), М.: Наука (2001).

146. Y. Т. Hou, М. F. Li, Y. Jin, W. Н. Lai, Direct tunneling hole current through ultrathin gate oxides in metal-oxide-semiconductor devices, J. Appl. Phys., v. 91, No. 1, pp. 258-264 (2002).

147. J. Maserjian, Tunneling in thin MOS structures, J. Vac. Sci. Technol., v. 11, No. 6, pp. 996-1003 (1974).

148. Y. Ando, T. Itoh, Calculation of transmission tunneling current across arbitrary potential barriers, J. Appl. Phys., v. 61, No. 4, pp. 1497-1502 (1987).

149. B. Mendez, F. Dominguez-Adame, Numerical study of electron tunneling through heterostructures, Am. J. Phys., v. 62, No. 2, pp. 143-147 (1994).

150. J. A. Lopez-Villanueva, I. Melchor, F. Gamiz, J. Banqueri, J. A. Ji-menez-Tejada, A model for the quantized accumulation layer in metal-insulator-semiconductor structures, Solid-State Electron., v. 38, No. 1, pp. 203-210 (1995).

151. F. F. Fang, W. E. Howard, Negative field-effect mobility on (100) Si surface, Phys. Rev. Lett., v. 16, No. 18, pp. 797-799 (1966).

152. Y. Takada, Y. Uemura, Subband structures of n-channel inversion layer, J. Phys. Soc. Japan, v. 43, No. 1, pp. 139-150 (1977).

153. C.-Y. Hu, S. Banerjee, K. Sadra, B. G. Streetman, R. Sivan, Quantization effects in inversion layers of PMOSFET's on Si(100) substrates, IEEE Electron Device Lett., v. EDL-17, No. 6, pp. 276-278 (1996).

154. T. Janik, B. Majkusiak, Influence of carrier energy quantization on threshold voltage of metal-oxide-semiconductor transistors, J. Appl. Phys., v. 75, No. 10, pp. 5186-5190 (1994).

155. И. H. Бронштейн, К. А. Семендяев, Справочник no математике для инженеров и учащихся втузов, М.: Наука (1980).

156. D. J. DiMaria, Е. Cartier, D. A. Buchanan, Anode hole injection and trapping in silicon dioxide, J. Appl. Phys., v. 80, No. 1, pp. 304-317 (1996).

157. Y. Wang, K. Brennan, Statistical study of the wave vector dependence of the intraband impact ionization rate in bulk silicon, J. Appl. Phys., v. 75, No. 1, pp. 313-319 (1994).

158. N. Sano, M. Tomizawa, A. Yoshii, Monte Carlo simulation of hot electron transport and impact ionization in Silicon, Jpn. J. Appl Phys., v. 30, No. 12B, pp. 3662-3665 (1991).

159. A. Ohta, M. Yamaoka, S. Miyazaki, Photoelectron spectroscopy of ultrathin yttrium oxide films on Si(100), Microelectron. Eng., v. 72, No. 1-4, pp. 154-159 (2004).

160. M. Houssa, S. De Gendt, P. de Bokx, P. W. Mertens, M. M. Heyns, X-ray irradiation effect on the reliability of ultra-thin gate oxides and oxynitrides, Microelectron. Eng., v. 48, No. 1-4, pp. 43-46 (1999).

161. A. Haque, K. Alam, Accurate modeling of direct tunneling hole current in p-metal-oxide-semiconductor devices, Appl. Phys. Lett., v. 81, No. 4, pp. 667-669 (2002).

162. B. Majkusiak, A. Strojwas, Influence of oxide thickness nonuniformities on the tunnel current-voltage and capacitance-voltage characteristics of the metal-oxide-semiconductor system, J, Appl. Phys., v. 74, No. 9, pp. 5638-5647 (1993).

163. D. A. Buchanan, Scaling the gate dielectric: Materials, integration and reliability, IBM J. Res. Develop., v. 43, No. 3, pp. 245-264 (1999).

164. M. Hirose, M. Koh, W. Mizubayashi, H. Murakami, K. Shibahara, S. Miyazaki, Fundamental limits of gate oxide thickness scaling in advanced MOSFETs, Semicond. Sci. Technol., v. 15, No. 5, pp. 485-490 (2000).

165. M. Houssa, T. Nigam, P. W. Mertens, M. M. Heyns, Effect of extreme surface roughness on the electrical characteristics of ultra-thin gate oxides, Solid-State Electron., v. 43, No. 1, pp. 159-167 (1999).

166. Г. Г. Карева, Обогащение свойств структуры металл-окисел-кремний при уменьшении ее размерных параметров до нанометрового диапазона, Письма в ЖТФ, т. 23, вып. 4, стр. 71-76 (1997).

167. Е. Cartier, J. С. Tsang, М. V. Fischetti, D. A. Buchanan, Light emission during direct and Fowler-Nordheim tunneling in ultra thin MOS tunnel junction, Microelectron. Eng., v. 36, No. 1-4, pp. 103-106 (1997).

168. T. Figielski, A. Torum, On the origin of light emitter from reverse-biased p-n-junctions, Proc. Intl. Conf. on Physics of Semiconductors, Exeter, pp. 863-868 (1962).

169. A. Toriumi, M. Yoshimi, M. Iwase, Y. Akiyama, K. Taniguchi, A study of photon emission from n-channel MOSFET's, IEEE Trans. Electron Devices, v. ED-34, No. 7, pp. 1501-1508 (1987).

170. L. Selmi, Silicon luminescence techniques for the characterization of hot carrier and degradation phenomena in MOS device, Microelect. Eng., v. 28, No. 1-4, pp. 249-256 (1995).

171. H. S. Wong, Experimental verification of the mechanism of hot-carrier-induced photon emission in n-MOSFET's with a CCD gate structure, IEDM Techn. Dig., pp. 549-552 (1991). .

172. T. Makino, S. Kawamura, A study of hot carrier effects in SOI-MOSFET's using photon emission, Ext. Abstr. of the Intl. Conf. on Solid-State Devices and Materials SSDM, Yokohama, Japan, pp. 2022 (1991).

173. S. L. Chuang, Physics of optoelectronic devices, John Wiley & Sons (1995).

174. В. JL Бонч-Бруевич, С. Г. Калашников, Физика полупроводников, М.: Наука, гл. XVIII (1990).

175. P. Bhattacharya, Semiconductor Optoelectronic Devices, Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, p. 219 (1994).

176. D. F. Edwards, in Handbook of Optical constants of solids, ed. by E. D. Palik, Academic Press, New York (1985).

177. K. Hess, editor, Monte Carlo simulations in semiconductors, Kluwer, Boston (1991).

178. P. D. Yoder, U. Krumbein, Degas-ISE reference manual, ISE AG Zurich, Switzerland (1996).

179. F. Crupi, R. Degraeve, G. Groeseneken, T. Nigam, H. E. Maes, On the properties of the gate and substrate current after soft breakdown in ultrathin oxide layers, IEEE Trans. Electron Devices, v. ED-45, No. 11, pp. 2329-2334 (1998).

180. M. Houssa, N. Vandewalle, T. Nigam, M. Ausloos, P. W. Mertens, M. M. Heyns, Analysis of the gate voltage fluctuations in ultra-thin gate oxides after soft breakdown, IEDM Techn. Dig., pp. 909-912 (1998).

181. Y. Wu, Q. Xiang, D. Bang, G. Lucovsky, Time-dependent dielectric wearout (TDDW) technique for reliability of ultrathin gate oxides, IEEE Electron Device Lett., v. EDL-20, No. 6, pp. 262-264 (1999).

182. S. Lombardo, A. La Magna, G. Gerardi, M. Alessandri, F. Crupi, Soft breakdown of gate oxides in metal-Si02-Si capacitors under stress with hot electrons, Appl. Phys. Lett., v. 75, No. 8, pp. 1161-1163 (1999).

183. J. Sune, E. Y. Wu, W. L. Lai, Successive oxide breakdown statistics: correlation effects, reliability methodologies, and their limits, IEEE Trans. Electron Dev., v, ED-51, No. 10, pp. 1584-1592 (2004).

184. H. Satake, A. Toriumi, Dielectric breakdown mechanisms of thin Si02 studied by the post-breakdown resistance statistics, IEEE Trans. Electron Dev., v. ED-47, No. 4, pp. 741-745 (2000).

185. A. Ghetti, Е. Sangiorgi, J. Bude, Т. W. Sorsch, G. Weber, Low voltage tunneling in ultra-thin oxides: a monitor for interface states and degradation, IEDM Techn. Dig., pp. 731-734 (1999).

186. D. J. DiMaria, Explanation for the polarity dependence of breakdown in ultrathin silicon dioxide films, Appl. Phys. Lett., v. 68, No. 21, pp. 3004-3006 (1996).

187. S. Lombardo, J. H. Stathis, B. P. Linder, K. L. Rey, F. Palumbo, С. H. Tung, Dielectric breakdown mechanisms in gate oxides, J. Appl. Phys., v. 98, Paper No. 121301 36 pages] (2005).

188. Dj. Ziane, A. El Hdiy, G. Salace, Bidirectional stress on a p-metal-oxi-de-silicon capacitor, J. Appl. Phys., v. 85, No. 9, pp. 6593-6597 (1999).

189. A. El Hdiy, Dj. Ziane, The positive charge neutralisation after bi-directional stress on MOS capacitors, Microelectron. Reliab., v. 40, No. 4-5, pp. 759-761 (2000).

190. A. El Hdiy, Dj. Ziane, Electric bidirectional stress effect on metal-oxide-silicon capacitors, J. Appl. Phys., v. 89, No. 2, pp. 1405-1410 (2001).

191. E. Miranda, J. Sune, R. Rodriguez, M. Nafria, F. Martin, X. Aymerich, Soft breakdown in ultrathin ЭЮг layers: the conduction problem from a new point of view, Jpn. J. Appl. Phys.j v. 38, No. 4B, pp. 2223-2226 (1999).

192. G. Korn, T. Korn, Mathematical Handbook for Scientists and Engineers, 2nd ed. Chapt. 21], McGraw Hill (1968).

193. M. Depas, B. Vermeire, P. W. Mertens, R. L. van Meirhaeghe, M. M. Heyns, Determination of tunneling parameters in ultra-thin oxide layer poly-Si/Si02/Si structures, Solid-State Electron., v. 38, No. 8, pp. 1465-1471 (1995).

194. B. Brar, G. D. Wilk, A. C. Seabaugh, Direct extraction of the electron tunneling effective mass in ultrathin Si02, Appl. Phys. Lett., v. 69, No. 18, pp. 2728-2730 (1996).

195. C. Chang, C. Hu, R. W. Brodersen, Quantum yield of electron impact ionization in silicon, J. Appl. Phys., v. 57, No. 2, pp. 302-309 (1985).

196. M. R. van der Berg, L. K. Nanver, C. R. de Boer, С. C. G. Visser, J. W. Slotboom, A bipolar structure with a tunneling emitter, Proc. SAFE-2000, Veldhoven, the Netherlands; pp. 11-14 (2000).

197. A. G. O'Neill, An explanation of the asymmetry in electron and hole tunnel currents through ultra-thin БЮг films, Solid-State Electron., v. 29, No. 3, pp. 305-310 (1986).

198. C. Fiegna, E. Sangiorgi, Modeling of high-energy electrons in MOS devices at the microscopic level, IEEE Trans. Electron Devices, v. ED-40, No. 3, pp. 619-627 (1993).

199. В. H. Ивахно, Квантовый выход внутреннего фотоэффекта и ударная ионизация в Si, ФТП, т. 6, вып. 8, стр. 1612-1614 (1972).

200. Электролюминесцентные источники света, под ред. И. К. Верещагина, М.: Энергоатомиздат (1990).