Исследование физических эффектов, связанных с инжекцией горячих электронов в кремниевых МДП-структурах с туннельно-тонким диэлектриком тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

На правах рукописи

СВЯЗАННЫХ С ИНЖЕКШЕИ ГОРЯЧИХ ЭЛЕКТРОНОВ В КРЕМНИЕВЫХ МДП-СТРУКТУРАХ С ТУННЕЛЬНО-ТОНКИМ ДИЭЛЕКТРИКОМ.

(01.04.10 - Физика полупроводников и диэлектриков)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1996

Работа выполнена з Ордена Ленина физико-техническом институте (ФГИ)- РАН .

Научный руководитель:

член-корреспондент РАН доктор физико-математических наук лауреат Ленинской и Государственной премий профессор И.В.Грехов .

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, лауреат Государственной премии профессор Л.Е.Воробьев,

доктор физико-математических .наук, профессор П.С.Копьев,

Оппонирующая организация:

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет.

Защита состоится " 45" СЩ^вЛА ' 1996 г, в "^5" часов на заседании специализированного совета К 003.23.01 при Физико-техническом институте им. А.&.Иоффо по адресу: 194021, Санкт-Петербург, ул.Политехническая, 26.

Отзывы на автореферат по диссертации в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просьба выслать по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря специализированного совета.

О диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГИ РАН.

Автореферат рззослан <Мйргг\(\ _1336 г.

Ученый секретарь

специализированного совета К 003.23.01

Г.С.Куликов

общая Характеристика работы

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕШ. Актуальность исследования туннельных ВДП-(М0Г1-) структур в настоящее время бесспорна и определяется следующими обстоятельствами: созданием транзистора с туннельным МОЯ-змзттером [I], получением на основе туннельных ЦДЛ-диодов высокоэффективных фэтоприемняков, необходимостью изучения возможности уменьшения толщина подзатворногс диэлектрика в полерых транзисторах, использованием туннельной МОП-структуры как составной части более сложных приборов, в частности тиристоров.

По-видимому, главной из перечисленных причин интереса к туннельным МОП-структурам является реальность создания эффективных транзисторов с индуцированной базой [1,2]. Достоинствами последних являются их способность работать при высокой ("ТО2 А/см2) плотности тока, малое СКГ^с) пролетное время базы, отсутствие ограничений на миниатюризацию размэров эмиттера, а также достаточно простая технология изготовления [2,31. 3 настоящее время продолжаются попытки изготовления и оптимизации таких приборов.

В 1991 г. било обнаружено возрастание коэффициента усиления транзисторов на основе системы А1/310г/п-31 с ростом плотности тока за счет ударной ионизации (ожз-кониззции), вызываемой инжектированными горя'шми электронами [2]. К названию прибора было добавлено слово охе-транзистор [23. Несколько ранее шкекция горячих электронов наблюдалась в двухэлектродной МОП-структуре 14].

Несмотря на то, что кремниевые туннельные МДП-структуры являю т. ся предметом изучения достаточно давно, целенаправленное рассмотрение режимов о высоким смещением на слое диэлектрика никогда не проводилось. Часть исследователей (напр., [1,3]} вообще не придает значения тому факту, что носители инкекшруются горячими, в связи с чем остается актуальной систематизация доказательств наличия инжекции горячих электронов и важности эффекта ионизации. Теория туннельных МДП-структур в настоящее время отсутствует, кроме режимов с очень малой плотностью протекающего тока [1,5].

Представляется существенным олределение практически достижимых энергетических пределов для инжектируемых носителей и соответствующих плотностей тока. Последнее совершенно нетривиально - в чэ-

стностк потому, что до настоящего времени распределение тока по площади туннельного МОП-перехода вообще не изучалось.

Как это ни парадоксально, но в настоящее время отсутствуют достоверные сведения о вероятности процесса оже-ионизации (то есть ионизации, вызываемой изначально горячим носителем) в кремнии для области малых (1-2 эВ) энергий электрона [6]. Поэтому заслуживает внимания рассмотрение вопроса об использовании туннельных МОП-структур для исследования параметров сэке-ионизации.

Таким образом, значительная часть требующих дальнейшего рассмотрения вопросов физики кремниевых туннельных-МОП-структур концентрируется вокруг проблемы анализа поведения таких структур в режимах с ишсекцией горячих электронов. Это и определило постановку задач в настоящей работе.

ЦВЛЬ РАБОТЫ. Главной целью данной работы являлось систематическое исследование поводения кремниевых туннельных МДП-структур в режимах с высоким (единицы вольт) смещением на диэлектрике, а именно: I) выявление доказательств решающе3 роли шькекции горячих носителей и ох:е-процесса; 2) разработка аналитической модели туннельной МОП-структуры для реишов с высокой- плотностью тока, учитывающей эффект оже-иошзации; 3) изучение влияние типа и уровня легирования подложки на формирование вольт-амперных характеристик туннельных МОП-структур А1/310г/31, исследование возможности наблюдения транзисторных эффектов в системе &а/Са?г/ п-БЗ.: 4) развитие методики определения (на основе обработки характеристик оке-транзистора с туннельным МОП-эмиттером) вероятности оже-ионизации в БЗ. как функции энергии электрона; 5) рассмотрение возможности реализации режима "точечного оже-транзистора" в системе игла сканирующего туннельного микроскопа (СТМ)- вакуумный зазор- п-31; 6) обсуждение условий, необходимых для практического наблюдения эффекта оже-ионизации в туннельной МОП-структуре.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ. Впервые проведено детальное изучение поведения кремниевых туннельных МДП-структур при высоком смещении на диэлектрике. Обнаружен ряд новых эффектов, бистабильность и мультистаОильность транзисторных МОП-структур А1/310г/п- 31, выравнивание потенциала базы вдоль эмиттера, еидимзя электролюминесценция туннельных МОП-структур. Разработана модель туннельного МДП-порехода для режимов с инжекцией.горячих электронов, учитыва-

ющая оже-эффект, которая позволила о единых позиций рассмотреть поведение различных туннельных МДП-систем :ja кремнии: 4и/СаР?/п-Si, Al/S102/n, p-Si, a такие контакта иглы СТМ с n-Si:H. Предложена новая методика измерения величины квантового выхода оке-ионизации в кремнии в области малых (1-2 эВ) энергий электрона.

ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЗ НА ЗАЩИТУ.

1. В структурах A1/S10 /n-Si с толщиной•окисла 2-3 им возможно осуществление инкекции горячих электронов в кремний с энергией до 2-3 эВ, вызывающих оке-ионизацию. Доказательствами этого являются бистабильность -и мультистабильность оже-транзистора на основе таких структур, рост коэффициента усиления по току с увеличением базового напряжения, замедленно роста и спад базового тока. Вце одним подтверждением наличия высокоэнергетичных горячих, электронов служит впервые обнаружешшй в настоящей работе эффект видимой электролюминесценции структур Al/туннелвно-тонний S102/Si.

2. Оже-транзистор на основе системы Al/SI02/Si может быть получен только на n-Sl и только в диапазоне уровней легирования менее Nd= 1018см-3. С ростом уровня легирования диапазон коллекторных напряжений, соответствующих активному рэжиму, сужается и при Nd~ 1018см~3 исчезает совсем. Оже-транзисторные эффекты (в частности, бистабильность) могут наблюдаться во всем исследованном диапазоне толщин S102 (до 20 нм), в том числе и при нэтуннельном механизме переноса заряда. У структур Au/ CaI'2/n-Sl транзисторные характеристики вообще отсутствуют.

3. Аналитическая модель туннельной МДП-структуры, учитывающая оже-эффект, позволяет предсказать основные особенности поведения обратносмещенйой туннельной МОП-структуры. Распространение качественных модельных представлений на систему игла СТМ/ вакуум /n-SI позволяет интерпретировать наблюдающееся усиление фототока как эффект транзисторного усиления, а переключение ОТМ-контакта - как аналог бистабильности туннельной МОП-структуры. Таким образом, С-ТМ-контакт с пассивированной поверхностью n-Si можно считать точечным аналогом оже-транзистора.

4. Оже-транзистор может служить как базовый инструмент для исследования вероятности озке-иони? <щии в Si, вызываемой электронами с энергией Ее~1-3 эВ. Полученные значения вероятности для области Eq~I.5 эВ составляют единицы процентов и являются первыми экспе-

ршектальными данными для этой области. Со стороны больших энергий полученные результаты хорошо "стыкуются" с ранее имевшимися.

5. На практике проявления оке-эффекта в трехэлектродной структуре могут быть замаскированы другими явлениями. Чтобы избежать этого, следует не допускать значительного перекрытия базовой р+-области и области тонкого окисла и имэть в виду возможность неоднородности распределения тока по площади структуры.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ состоит в развитии единых представлений о роли инжекции горячих электронов и оже-ионизации в формировании вольт-амперных характеристик различных кремниевых туннельных ЩЩ-структур. Систематически изучены наиболее интересные режимы работы оже-транзистора на основе системы Al/S102/n-SI-режимы с напряжением на диэлектрике в 1-3 В, в которых реально достигается сколь угодно высокое усиление. Сформулирована новая аналитическая модель туннельной МДП-структуры. Получены важные данные о вероятности оже-ионизации в кремнии. Выводы проведенной работы могут быть полезны, в частности, при решении следующих задач: интерпретации характеристик изготавливаемых туннельных МДП-структур, оптимизации туннельных МОП-структур как инжекторов горячих носителей, использовании этих инжекторов в тиристорах, дай нейпем изучении процесса релаксации энергии электронов в 31. - АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты работы по теме диссертации докладывались на Мездународных конференциях по твердотельным-приборам и материалам з Японии в 1993 и 1994 г., 1-й Российской конференции по физике полупроводников (Нижний Новгород, 1993), и 1-й Ыеадународной конференции по физике низкоразмерных систем (Черноголовка, 1993). Часть результатов включена в программу 11-й Российской конференции по физике полупроводников (Зеленогорск, 1996). Результаты диссертационной работы докладывались также на семинарах лаборатории мойных полупроводниковых приборов ФТИ РАН.

ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликовано 20 научных работ, в том числе 13 статей (2- лично автором диссертации, II- в соавторстве). Перечень работ приведен в конце автореферата.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения и списка цитируемой литературы из £4 наименований. Общий объем диссертации - 188 страниц, в том. числе 131 страница машинописного текста, 44 рисунка, 2 таблицы.

- 7 -

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВО ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность проведенных в диссертации исследований, сформулирована цель работы и дана ее общая характеристика, приведены научные положения, выносимые на защиту.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ дается обзор литературы, посвяцешгой исследованию туннельных МДП-структур на кремнии. К настоящему времени в этой области накоплен достаточно обширный и разнообразный материал, который преимущественно касается поведения этих структур при относительно малом (~1В) напряжении на диэлектрике.

Обзор начинается с анализа результатов экспериментальных исследований туннельных МДП-структур. Длительное время изучались, в основном, туннельные МОП-диоды на n-Si, в которых была продемонстрирована возможность получения усиления фототока. В нескольких работах [1,3] сообщалось сб изготовлении полноценных трехэлектрод-ных туннельных МОП-структур. Третий электрод используется для управления концентрацией неосновных носителей в инверсионном слое. Усиление изготовленных приборов было невысоким (~75 [31).

Далее обсуждаются физические принципы работы транзистора с туннельным МОП-эмиттером и имеющиеся теоретические работы на эту тему [1,5]. В [13 показано, что инверсия поверхности Si в туннель-_ных структурах возможна лишь при непрерывном поступлении неосновных носителей в область под тонким диэлектриком. Наличие усиления связано с асимметрией туннелирования [51. Приведен имеющийся алгоритм расчета параметров инверсионного слоя, который в последующих главах применяется к туннельным МДП-структурам.

Важное место занимает анализ первых наблюдений инжекции горячих электронов в двухэлекгродных МОП-структурах - как туннельных, так и с более толстым слоем диэлектрика. Эти электроны вызывают оже-ионизацию атомов кремния [4]. Отмечено, что роль эффектов, связанных с инжекцией горячих носителей, в значительной степени недооценивалась. Одну из причин такой недооценки можно видеть в отсутствии надежных сведений о величине квантового выхода ожо-ионизации Р(Ее) для S1 в области энергий Ев"1-2 эВ. Разброс между данными разных авторов составляет несколько порядков [6].

Обсуждена идея об оже-транзисторе- биполярном п-р~л-транзисто-ре с внутренним источником неосновных носителей (дагоок) в бэзо за

счет ожо-ионизации, вызываемой инжектируемым? из эмиттера горячими электронами. Цитируется рабо:а (21, в которой было сформулировано радикальное предложение: применить туннельный МОП-эмиттер в оже-транзисторе. В этой работе был замечен рост усиления с ростом плотности тока, который св ;зывэлся с развитием оне-прошсса, хотя коэффициент усиления (в схеме с общей базой) че достигал единицы.

В абсолютном большинстве опубликованных работ предметом исследования являлись структуры А1/310г/31. Поэтому в обзоре указывается на сложности, связанные с определением параметров туннельных барьеров именно в этой системе ([51 и др.).

ВТОРАЯ ГЛАВА посвящона экспериментальному изучению физически:; эффектов, связанных с инжекцией горячих электронов в структурах А1/туннэльно-тонкиЛ 3102/п-31. Основнсэ внимание уделено трехэле-ктродным приборам (оже-транзисторам с туннельным МОП-эмиттером, Рис.I). В данной главе исследовались МОП-структуры на подложках КЭФ-О.З <100> (концентрация доноров Мй=Ю15см"3) с толщиной. ЗЮ2 ?г> 8. Тушельно-тонкий окисел формировался при 700 °С в течение 30 мин. При изготовлении транзисторов не допускалось существенного перекрытия р1-области с областью тонкого Б1С2.

Em i Iter

Вас

ч гт-^т:

inversion hole layer

Collector

Рис.1.

E,

4M,

fm

7^77

qU

Рис.2.

-Im ^cc

CiVs qU

crK

Энергетическая зонная дкаграша транзисторной МОП-структуры при подаче базового тока показана на Рис.2. Очевидно, что электроны инжектируются в полупроводник горячими: их энергия на границе Б1/3102,определяемая как Ерт-Есо. может составлять доли эВ и более. Кроме того, возможен еще и дополнительный "разогрев"'электронов в электрическом поле в Б!, в особенности при их Заллисти-

ческам пролете через вырожденную часть инверсионного слоя, играющую роль базы транзистора. Начиная с некоторого базового смешения иЪе, электроны сказываются способными вызвать оже-монизацию атомов кремния. Произведенные при этом дырки дрейфуют к инверсионному слою, суммируясь с "внешним" током базового электрода 1Ь. С учетом оже-эффекта, токи через выводы транзистора запишутся:

I =1е + 1п

ее <з

1о=1е.(1+Р)

1.-111 - Iе .р +■ I. Ъ е е <1

а >

(I)

Здесь Iе и

I* -

электронная и дырочная компоненты туннельного

тока, I - ток диффузии дырок в объем 51, существенный при >и . Величина квантового выхода Р зависит как от и. , так

се Ьа'

обычно в меньшей степени - от распределения электрического поля в

>

Ье И -

Б1. Если N.

Ч0;бсм~

положить Р = Р(Е ) =

е

~Г

а и составляет единицы

Ьо

< а

вольт, то можно

РЫС.З. СОИ^.ЮГ Ч/оИлСЭ

Рас.4.

На рис.3 приведены измеренные выходные характеристики оже-тран-зистора, а на рис.4- зависимости РЛ(ИЬе) и базового тока I (Ч ) для этого же прибора. Наблюдается мультистабильность: одному значению напряжения на структуре и одному значению 1Ь соответствует не один, а несколько режимов, отличгктегеся плотностью коллекторного тока. На зависимости 1ь(иье> омоется два участка спада. При этом коэффициент усиления Ра=с11л/с11ь как Функция Ь'Ьр имеет разрывы со сменой знака (рис.4). Наличие спмда I при И 2.2 В оз-

начавт, что при Е6~1.1 эВ Р(Ее) имеет участок быстрого роста.

Заметим, что мультистабильность наблюдалась не у всех приборов, однако, у всех наличествовали "основная" Б-образность, связанная с переходом структуры во "включенное" состояние, а также замедление роста 1ь при и^~2.2 В и спад 1ь при больших иЬе.

Как впервые установлено в_насто-ящей работе, если в кремний инжектируются горячие электрот (обратное смещение структур А1/ 5Юг/п-31 и прямое в случае р-Б1), то при достаточно большом и (несколько вольт) наблюдается люминесценция в видимом диапазоне. Эффект отсутст-з.о вует при изменении полярности прикладываемого напряжения, то есть при инжекции горячих дырок. Свечение отчетливо набщодалось визуально по периферии верхнего алюминиевого контакта,а также в царапинах (см. спектры на Рис.5).

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ предлагается аналитическая модель обратносме-щенной кремниевой туннельной ЩЩ-структуры. По сравнению с более рашшми моделями [1,5] имеется два принципиальных отличия: а) учитывается квантование движения неосновных носителей (дырок для прибора на п-81) в инверсионном слое; б) принимается во внимание оже-эффыкт (I). Сделанные дополнения к развитой ранее теории туннельных МОИ-структур позволяют рассматривать поведение последних в режимах с напряжением на диэлектрике в единицы Вольт.

Из-за учета квантования, например, выражение для плотности тока дырок в метрлл записывается как:

1.5 2.0 2.5 рЪо^оп енеп)/. ©V

Рис.5.

й-

'3.1

3.1

(2)

где Ез уровни энергии в квантовой яме, ±- концентрации дырок на!них (огределяемые при расчете зонной диаграммы структуры), й- постоянная Планка, Тк- вероятность туннелирования дырки. Суммирование охватывает все уровни (1) для всех дырочных подзон (з).

Напряжение на диэлектрике и вычисляется из уравнения баланса -

нижнего из равенств (I), - так как оно неявно входит в выражения для токов, обсуждаемые в работе. При нахождении Р в общем случае учитывается "разогрев" электронов в полупроводнике, который может частично компенсировать потери энергии при рассеянии на фононах.

Расчеты вольт-амперных характеристик (ВАХ) были проведены конкретно для структуры А1/510г/п-31. (Значения параметров барьеров взяты в диапазоне известных из литература величин.) В данной системе роль тока оже-ионизации велика, и она растет с увеличением 1о. Рассчитанные ВАХ при 1ь=0 имеют Б-обрэзшй вид (А, рис.6), что качественно соответствует эксперименту /(рис.3). Расчет при 1Ь , большем, чем величина утечки в рассматриваемом диапазоне Ч, дает суперлинейные ("включенные") характеристики (рис.6); на всей кривой (В) ток диффузии I. отличен от нуля и и. ^и .

а. об

При увеличении уровня легирования Ид возрастает поле б области объемного заряда, что увеличивает Р из-за "разогрева" электронов в Б1. Кроме того, роль заряда инверсионного слоя в создании поля в ЗЮ2 уменьшается' с ростом К - это приводит к снижению утечки Г^ при том же и. Оба эти обстоятельства способствуют возрастанию относительного вклада оже-процесса в баланс токов, что проявляется в "сжатии" Б-образности (рис.6). В эксперименте наблюдалась .такая же трансформация ВАХ, а при И^ГО18см~3 Б-образность исчезала.

В рамках данной модели предсказано падение коэффициента инжек-ции 7 = 1®/(1^+1®) туннельного МОП-эмиттера с уменьшением толщины диэлектрика й для любых фиксированных иЪе и и„е. С другой стороны, в эксперименте замечено, что у приборов с малой й (1.8 нм) наблюдение бистабильности иногда оказывается зообще невозможным. Для бистабильности ра должно обратиться в бесконечность при некотором иЬе. Понятно, что это обеспечить т-зм труднее, чем меньше 7.

ЧЕТВЕРТАЯ ГЛАВА представляет собой описание нового метода измерения квантового выхода оже-ионизации в Б1. Идея метода - исполь-_зозать аналитическую модель оже-транзистора для обработки изма-

Рис.б. «Ладе V (=<_!„), УаЪз

реншх статических характеристик. Это позволяет найти величину Р, которая известна весьма приблизительно. (В расчетах в гл. III функция Р была взята просто в одной из предложенных ранее форм.)

Наиболее интересны значения Р в ситуации, когда энергия электрона вполне определенна: Р в Р(Ее)= P(qUb0-Eg). Поэтому напряжение иъо должно быть небольшим, чтобы исключить "разогрев" электронов в S1 за границей вырожденной части инверсионного слоя.

В области энергий Ee<Eg (то есть в области базовых напряжений Ube<2-Eg/'q), где Р(Ее)нО, измеряется зависимость базоЗого тока от 'базового напряжения, которая затем экстраполируется в область больших напряжений. Для осуществления такой экстраполяции в нашей модели прибора в качестве подгоночных параметров используются значения эффективной массы дырок в S10g и разрыва валентной зоны на границе SI/S102. Для туннельно-тонкого окисла имеется некоторая неопределенность в этих значениях.

После того, как параметры туннельного барьера определены, мы можем вычислить I^(Uba> в широком даапазокэ изменения Ufc3. Разница между предсказанным током утечки и измеряемым базовым током при 2e>Eg - это ток оже-ионизации 1а. Таким образом, сравнивая зависимость 1^, полученную экстраполяцией, и измеренную зависимость 1ь в области Ед>Е , мы можем определить P(Eq):

Р(Е) =

= *Хе>

*Ъ<иЬе>>

(3)

где I

Рис.?.

измеренный коллекторный ток.

Очевидными преимуществами предло кенного метода являются моноэнерге-тичность инжекции электронов и простота контроля энергии.

Для изучения квантового выхода оже-ионизации использовались структуры, аналогичные показанным на рис.1. Однородность распределения тока по площади контролировалась.

Полученные описанным методом per зультаты по величине квантового вы-

IJO 1.5 2.0

initial electron energy F,

2JS eV

хода (рис.7) являются первыми экспериментальными данными для кремния в области Е ~1-2 эВ. В области энергий более 2эВ они хороко коррелируют как с имеющимися экспериментальными, так и с некоторыми теоретическим данными [61. Р(Е ) шеэт участок быстрого роста непосредственно у Е , а затем слегка замедляется.

В ПЯТОЙ ГЛАВЕ анализируется всзмозсность осуществления инжекции горячих носителей в МДП-структурах, отличных от системы А1/тучнель-но-тонкий 3102/п-31.

При анализе уравнения баланса (I, нижнее равенство) выявляются два крайних случая. Если ток дырок в металл очень велик даже при малых и, то падение напряжения на диэлектрике близко к нулю, поверхностный потенциал Фд (рис.2) растет с напряжением V до пробоя (рис. 8, кривая а). Другой крайний случай имеет место, когда << 1®-Р даже при 1ь=0. В этом случае поступающие к интерфейсу дырки теряются не только за счет утечки в металл, но и из-за диффузии (1^0). Такие приборы мы назовем "самовключенными"

(рис.8, кривая Ъ). Как видим, в общем случае возможно большое разнообразие ВАХ туннельных МДП-структур с инжекцией горячих носителей.

В эксперименте (с диодными структурами: 1ь=0) получено, что характеристики, подобные кривой а, типичны для МДП-структур с деградировавшим диэлектриком, и для структуры А1/310г/р-31 (обратное смещение). В последней системе инжектируются дырки, а не электроны, и коэффициент их инжэкции очень низок.

У приборов Аи/3102/п-31 с туннельнс-гонким окислом наблюдались З-образные ВАХ, как на рис.6. 3-образные ВАХ оказались также ти- ' личными для структур А1/3102/п-31 с толщиной гю.., 5-30 нм, в которых инжектируются горячие электроны.

Обнаружено, что структуры Аг^СаР2/п-31<111 > с супертонкими (менее 20'нм) слоями СаР2 являются "саможшчекными", что естественно ввиду резкой асимметрии туннельного барьера.

Таким образом, инжекция горячих электронов возможна в различных МДП-системах на

ШЕСТАЯ ГЛАВА посвящена анализу поведения контакта металлического острия сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) с пассивированной поверхностью полупроводника (n-Sl). Такая система являет ся точечной моделью МДП-структуры, и ее изучение важно в связи с проблемой миниатюризации транзистора с туннельным МОП-эмиттером.

В настоящей работе СТМ-контакт впервые рассматривается как анг лог точечного о^е-фототранзистора (а не диода), в котором эмиттером является острие СТМ, коллектором - объем полупроводника, е базой - тонкий приповерхностный слой с инверсным типом проводимости. Реальность возникновения транзисторного режима работы СТМ-

контакта связана с выявленной возможностью накопления неосновных носителей (дкрок) у пассивированно£ водородом поверхности Si.

При исследовании обратных ветве1 ВАХ СТМ-контакта с пассивированно! поверхностью n-Sl были обнаружен! эффекты, не находящие объяснения i рамках развитых ранее диодных представлений. Наблюдались ярко выраженный гистерезис обратной ветв! ВАХ, а также "фототранзисторные" характеристики при оптически возбуждении СТМ-контакта (рис.Э).

При достаточно высоком напряжении на туннельном промежутке инжектируемые электроны являются горячими, и оказываются способным! вызывать оже-ионизацию в области пространственного заряда кремния. Это приводит к резкому увеличению поступления дырок к повер: ности и обусловливает переключение СТМ-контакта в высокопроводя-щее состояние. В результате наблюдается гистерезис сбратных ВАХ.

Оптическое возбуадение СТМ-контакта позволяет изменять концен трации дырок у поверхности и тем самым управлять контактом. Уда лось проследить все стадии работы СТМ-контакта с пассивированно. поверхностью n-Sl в фотодиодном и транзисторном режимах.

СЕДЬМАЯ ГЛАВА содержит обсуждение некоторых технических дета лей, которые необходима учитывать при исследовании эффекта оже ионизации в реальной грехэлектродной оже-транзисторной структуре

Показано, что частичное "перекрытие" диффузионной базовой об

revesa /oltcje.V. Volte

Рис.Э.

ласти и области тонкого окисла на практике является серьезным недостатком, приводящим к резкому снижению усиления, а иногда и к отсутствию бистабильности. Одаа из причин этого - интенсивная рекомбинация инжектированных электронов в р+-области. Вполне возможно, что оже-иокизация не была ранее обнаружена в трехэлектрод-ных структурах именно из-за данного конструктивного недостатка образцов. Чтобы избежать паразитного эффекта "перекрытия" в проводимых экспериментах, было решено отказаться от традиционной "кольцевой" конфигурации базового электрода.

Одновременно отмечено, что если базовый вывод расположен далеко от области эмиттерной металлизации, то прибор вообще не демонстрирует транзисторных характеристик.

Выяснено, что распределение тока по площади туннельного МОП-перехода может быть существенно неравномерным: в некоторых приборах наблюдалось сильное о геснение тока з область, примыкающую к выводу базы. Этот эффе :т связан с конечностью продольного сопротивления индуцированной база. Продемонстрировано, что оже-гонизация является мощным фактором, способствующим выравниванию потенциала базы вдоль эмиттера.

Кратко рассмотрены также переходный процесс установления стационарного распределения тока по площади эмиттера, потеря устой-швости неоднородным распределением тока, механизмы формирования шверсионного слоя в трехэлектродных туннельных МОП-структурах.

В ЗАКЛЮЧЕНИИ обобщены основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Впервые прозедэно систематическое изучение поведения трехэле-стродных (транзисторных) туннельных МОП-структур А1/510г/п-31 в южимах с большим (единицы вольт) смещением на диэлектрике. При-¡едены экспериментальные доказательства решающей роли эффекта же-ионизации в формировании вольт-амперных характеристик эти гриборов: бистабильность, мультистабильность, возрастание коэффи-сиента усиления по току, замедление роста и спад базового тока 1Ъ : увеличением базового напряжения иЬе.

2. Экспериментально продемонстрирована возможность осуществления

в туннельных МОП-структурах КЕаяимоноэнергетичной инжекции горячих электронов в кремний с энергией от 0 до 2-3 эВ. Наблюдались рост усиления при Ub„«2.2B, что соответствует достижению энергией электронов величины Е , и эквидистантность (с интервалом ~Eg/q) участков замедления 1Ъ(Ub > вплоть до Ub "4.5В.

3. Обнаружен новый эффект: видимая электролюминесценция кремния в туннельной МОП-структуре А1/3102/ n(p)-Si. Люминесценция вызывается инжектируемыми из металла горячими электронами и наблюдается при положительном смещении на полупроводнике.

4. Разработана аналитическая модель туннельной ЦДЛ-структуры для широкого диапазона плотностей тока. Модель предсказала трансформацию обратных Еольт-амперкых характеристик туннельной МОП-структуры с изменением уровня легирования кремния Nd, толщины диэлектрика, а также параметры зоннс-й диаграммы таких структур во "включенном" состоянии.

5. Теоретически предсказано и впоследствии обнаружено, что. туннельные МДП-структуры при обратном смещении могут Сыть "самовключенными"; это означает что при любом обратном смещении почти все напряжение оказывается на диэлектрике и транзисторные характеристики отсутствуют. Такая ситуация наблюдалась у структур Al/Si02/n-Sl с Nd~I018 см-3 и в некоторых других случаях.

6. Предложен и опробован новый метод количественного исследования эффекта оже-ионизашш в S1, вызываемой электронами с энергией вблизи порсга ионизации.' Метод использует .для обработки результатов созданную аналитическую модель туннельной МДП-структуры. Получено, что уже при энергии электронов Ер~1.5 эВ квантовый выход Р(Е ) составляет единицы процентов. Это является первым экспериментальным результатом для Р(Е ) в области столь малых энергий.

7. Объяснено радикальнее отличие в поведении туннельных МОП-структур на основе n-Sl и p-3í.

8. Исследованы МДП-структуры Au/Ca?2/n-Sl<i11 >, ь частности, с туташльно-тонким слоем Са?2. В структурах, характеризующихся рекордной прочностью OaPg- 5-Ю6 3/см, обнаружено отсутствие эффекта транзисторного усиления. Это означает, что величина тока утечки неосновных носителей мала, вследствие чего такие структуры являются "самовключенными". Ток является чисто электронным.

9. Предложен и экспериментально подтверзден механизм формирова-

шя вольт-амперных характеристик МОП-структур с кетуннельным переносом заряда через слой S10? толщиной 4-20 нм. Показано, что в обратносмещенкых МОП-структурах Al/SM2/n-Sl имеет место инстанция горячих электронов из металла (с последующим их переносом по зоне проводимости S102), которые вызывают ударную ионизацию в S1.

10. Распространение модели туннельной МДП-структуры на систему игла СТМ / вакуум / n-Sl позволило объяснить нетривиальное поведение такой системы при обратном смещении. В частности, нашли объяснение гистерезис вольт-амперной характеристики и "транзистор-

■ные" эффекты, наблюдавшиеся при ' оптическом возбуждении СТМ-контакта. Полученные результаты позволяют рассматривать СТМ-контакт с поверхностью n-Sl как точечный аналог оке-транзистора.

11. Показано, что существенным фактором при изготовлении оже-транзистора с туннельным МОП-эмиттером яаляется минимизация области перекрытия р+-базовой области с областью тонкого скисла. Наличие такого перекрыт, л снижает усиление структуры и осложняет наблюдение проявлений оже-эффекта.

12. Обнаружен новый тип неустойчивости в кремниевых туннельных МОП-структурах с управлением через базовый электрод. Неустойчивость связана с изменением баланса заряда в инверсном слое, вызываемым оже-ионизацией. Экспериментально показано, что инициация оже-процесса ь туннельной ЫОП-структуро может приводить к выравниванию потенциала базы вдоль эмиттера. Последнее проявляется в значительном расширении работающей области прибора.

Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях:

1. М.'И.Векслер, И.В.Грехов, А.Ф.Шулекин / Ударная ионизация в транзи-^ора? с туннелъно тонким МОП-эмиттерсм // Письма в ЖТФ, т.18, ьип.21, стр.1-5 (1992).

2. И.В.Грехов, А.Ф.Шулекш7 М.И.Векслер / Статические характеристики кремниевого оже-транзистора с туннельным МОП-омиттерог« и индуцированной базой // ФТП, т.27, вып.1, стр.88-94 (1993).

3. М.И.Векслер, К.3.Грехов, А.Ф.Шулекин / Мультистаоильность МДП-структур с туннельно-тошгам диэлектрическим слосм // Письма в ЖТФ, т.19, вып.З, стр.50-55 (1993).

4. I.V.Grekhov, A.F.Shuleklr. and M.I.Vexier / Multlcascade in-

- IS -

pact Ionization in SI Metal-In3ulator-Ssmlconductor Turns! Emitter Auger Transistor (Si KIS TEAT) // Solid-State Commun, v.87, N4, pp.341-343 (1993).

5. И.В.Грехов, А.Ф.Шулекин, М.И.Векслер / Механизм формирования стационарных обратит. вольт-амперных характеристик МДП-структур с переносом заряда // ФТП,т.29,вып.2,стр.223-234 (1995).

6. M.I.Vexler / A simple analytical Model or the tunnel MIS Emitter Auger Transistor // I£EE Trans, on Electron Devices, v.ED-42, N4, pp.656-661 (1995).

7. I.V.Grekhov, A.F.Shulekln and M.I.Vexler / Silicon Auger transistor - new Insight into the performance of a tunnel MIS emitter transistor // Solid-State Electronics, v.38, N3, pp.15331541 (1995).

8. I.V.Grekhov, A.F.Shulekln and. M.I.Vexler / Measurement oi the near-threshold Auger ionization probability in silicon // J.Phys. -Condens. Matter, N7. pp.7037-7043 (1995).

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

10. Х.К.Альварес, М.И.Векслер, И.В.Грехов, Н.С.Соколов, А.Ф.Шулекин / Электрофизические характеристики структур Au/Cai'g/n-Si <111> с супертонкдаи (менее 20 нм) слоями Cai^, выращенными методом молекулярпо-лучевой епитакски //ФТП, принято к печати (1996).

II. гЛ.И.Вбкслер / Туннельный МДП*-переход при высокой плотности тока (^ехим обратного смешения) // ФТП, принято к печати (1996).

12. Л.Н.Болотов,И.В.Макаренко, А.Н.Титков, М.И.Векслер, И.В. Грехов, А.Ф.Шулекин / СТМ контакт с пассивированной водородом поверхностью кремния n-типа как точечный оже-транзистор с туннельным МОП-эмиттером // «И'Т, принято к печати (1996).

13. С.В.Балов, М.И.Векслер, М.В.Грехов, А.Ф.Шулекин / Неустойчивости распределения тока по площади в кремниевом оже-транзисторе с туннельным МОП-эмиттером // Письма в ЖТФ, принято к печати (1996).

14. М.И.Векслер, И.В.Грехов, А.Ф.Шулокин / 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).

15. J.С.Alvarez, A.F.ShuLekin, U.S.SokoIov, M.I.Vexler, N.L.Ya-kovlev / M3E growth and electropiiysical ctiarajterlzatlon of pceu-domorphlc CaP?/Sl<11i> structures // Extended Abstracts oi the International Conference on Solid State Devices and Matererals-SSBM, pp.413-415, Makhuhari, Japan (1993).

16. L.N.Bolotov, A.P.Shulekin, J.C.Alvares, M.I.Vexler, A.N.II-tkov / Hysteresis of I-V-characterlstlcs of tunnel contact on n-S1 covered Dy tunnel CaF2 layer // Abstracts of the 1-st International Conference on the low-dimensional systems, p.132, Chemo-golovka, Russia (1993).

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

18. И.В.Грехов, А.Ф.Шул-лга, М.И.Векслер / Горячие носители в туннельных МДП-структ^рах на кремнии // Принято в качестзэ устного доклада на II Российской конференции по физике полупроводников (РКФП-95), Зеленогорск (1S96).

19. М.И.Векслер, И.В.Грехов, С.А.Соловьев, А.Г.Ткаченко, А.Ф. Шулекий / Видимая электролюминесценция кремниевых туннельных МОП-структур, связанная с релаксацией горячих электронов // Принято в качестве стендового доклада на РКФП-96, Зеленогорск (1996).

20. Л.Н.Болотов, М.И.Векслер, И.В.Грехов, И.В.Макаренко, А.Н. Титков, А.Ф.Щулекин / Транзисторные эффекты в СТМ-контакте с пассивированной поверхностью кремния // Принято в качестве устного доклада на РКФП-96, Зеленогорск (1996).

ЛИТЕРАТУРА.

1. Simmons <J.G. and Taylor G.W. // Solid St.-,te Eleotron., 1986, v.29, N3, p.287-303.

2. Грехов If.В., Остроумова E.R., Рсгзчэв А.А., Щулеюш А.Ф. // Письма в ЖТФ, 1991, т.17, вып.13, с.44-48.

3. Yoshimoto Т., Suzuici ¡С. // Jpn. J. Appl. Phys., 1993, v.32, p.L180-L182.

4. Lai S.K., Dressendorfsr P.Y., Ma T.P., Barker R.C. // Appl. Phys. Lett., 1981, v.38, N1, p.41-44.

c. Chu K.M. and Pulirey D.L. // Trans. Kleotron Devices, 1930, v.ED-35, p.188-194.

6. Cartier E. , Pis^hetti M.V. , Eiclund E.A. and .'ioFeely i\R. ,'/ Appl. Pays. Lett., 1993, v.b^, N25, n.3339-3341 .