Нелинейная зависимость высоты барьера от смещения и природа аномалий характеристик контактов с барьером Шоттки тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Шмаргунов Антон Владимирович

Нелинейная зависимость высоты барьера от смещения и природа аномалий характеристик контактов с барьером Шоттки

01.04 10 - Физика полупроводников

Автореферат диссертации на соискание учёной стенсии кандидат физико-математических наук

Томск-2015

Работа выполнена в федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет», на кафедре физики полупроводников.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Божков Владимир Григорьевич

Официальные оппоненты:

Шашкин Владимир Иванович, доктор физико-математических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики микроструктур Российской академии наук, отдел технологии наноструктур и приборов, заведующий отделом

Троян Павел Ефимович, доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники», кафедра физической электроники, заведующий кафедрой

Ведущая организация: федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики полупроводников им. A.B. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук, г. Новосибирск

Защита состоится 24 сентября 2015 г. в 1430 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.267.07, созданного на базе федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет», по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 36.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке и на официальном сайте федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет» www.tsu.ru.

Материалы по защите диссертации размещены на официальном сайте ТГУ: www.lsu.nl/contenl/iiews/annoiincement_of_the_dissertations in the tsii.php

Автореферат разослан <<ZA> мая 2015г.

Ученый секретарь Киреева

диссертационного совета ' Ирина Васильевна

Общая характеристика работы .....

Актуальность работы. Контакт металл-полупроводник (КМП) с барьером Шотгки (БШ) является основой широкого круга электронных устройств. Хорошо известно, что, несмотря на определённо установленный механизм токопрохождения в контактах с барьером Шотгки их вольтамперные характеристики (ВАХ) во многих ситуациях имеют значительные отклонения от теоретического поведения. Наиболее популярными для объяснения аномалий электрических характеристик стали в последние два десятилетия идеи о неоднородности высоты барьера в контакте. На этой основе разработаны две широко известные модели: модель Вернера-Гютлера с гауссовским распределением высоты барьера в контакте и зависимостью параметров распределения от смещения и модель неоднородности высоты барьера в виде так называемых «седловых точек» (модель Танга). Однако, несмотря на формальное согласие с экспериментом, прежде всего в части объяснения известной «низкотемпературной аномалии» и некоторых других особенностей ВАХ, во многих случаях это согласие является результатом обилия подгоночных параметров и/или следствием недостаточно убедительных физических предположений.

В последнее десятилетие выполненные в нашем институте исследования показали, что причиной многих «аномалий» ВАХ контактов с БШ (в том числе наиболее известной «низкотемпературной аномалии») является общее свойство всех контактов с БШ, которое практически не учитывалось раньше при анализе экспериментальных ВАХ - нелинейная зависимость (нелинейность) высоты барьера от смещения, физическая природа которой может быть самой рахтичной. Подход к анализу ВАХ контактов на основе учёта нелинейности высоты барьера позволяет не только указать на неточности, а в некоторых случаях и ошибки традиционных подходов, но и получить новые важные результаты, например, в самом представлении характеристик контактов. При этом речь идёт не только о реальных контактах, характеристики которых испытывают существенное влияние технологии и материала, но и об «идеальных», например, туннельных контактах, где возможно только интегральное представление ВАХ. В таких контактах нелинейность высоты барьера имеет фундаментальное происхождение: она связана с эффектом сил изображения и эффектом туннелирования.

Что же касается реальных контактов, где нелинейность высоты барьера может быть выражена значительно ярче, то в качестве её причины в настоящей работе использовано представление о неоднородном распределении по энергии интерфейсных состояний в контакте (в виде «хвостов» плотности состояний, спадающих от краёв запрещённой зоны к её середине). Может показаться невероятным, но эта модель распределения, которая так широко используется в теории кремниевых МОЯ-структур, в известной литературе

практически не привлекалась для объяснения характеристик контактов с БШ, кроме небольшого числа работ, выполненных в нашем институте.

Таким образом, в качестве альтернативы моделям неоднородности высоты барьера предлагаются модель контакта с промежуточным слоем (будем называть её моделью Бардина, МБ) и поверхностными электронными состояниями (ПЭС), распределёнными по энергии (см. выше) и модель тесного контакта (МТК) без промежуточного слоя при наличии спектра приповерхностных состояний (ППС), распределённых не только по энергии, но и по координате вглубь полупроводника. Оба типа состояний находятся в равновесии (т.е. взаимодействуют) с полупроводником в отличие от состояний, взаимодействующих с металлом и закрепляющих уровень Ферми. (Иногда для обозначения тех и других состояний используется название интерфейсных состояний, ИС.) Существенным при анализе модели тесного контакта был учёт наряду с ППС эффекта сил изображения и туннелирования. Их влияние оказалось повышенным из-за значительной деформации вершины барьера под влиянием заряда ППС. Наряду с теоретическим анализом было проведено достаточно широкое экспериментальное исследование реальных контактов M-n-GaAs и сравнение тех и других результатов.

Описанные выше вопросы стояли в центре внимания работы. Но важное значение имел и непосредственный анализ возможностей наиболее широко распространённой модели неоднородности высоты барьера в виде «седловых точек» для объяснения реальных ВАХ. Иначе говоря, сравнение предложенных нами моделей с наиболее известной. Этот анализ показал противоречивость указанной модели, а в ряде случаев и противоречие её экспериментальным данным.

Наконец, одной из проблем является то, что экспериментальные исследования электронной структуры контакта металл-полупроводник сводятся в основном к исследованию вольт-фарадных характеристик, интерпретация которых не менее сложна, чем самой ВАХ. В связи с этим, важная часть работы была посвящена новому оригинальному исследованию реальных контактов М-П на основе атомно-силовой микроскопии (АСМ) с использование метода зонда Кельвина (МЗК).

Целью диссертационной работы является построение на основе учёта нелинейной зависимости высоты барьера от смещения и свойств интерфейсных электронных состояний модели контакта металл-полупроводник, максимально полно описывающей и объясняющей указанные аномалии ВАХ. Исследование, с данной точки зрения, влияния морфологии контакта на его электрические характеристики. Поиск иных (помимо ВАХ и ВФХ) экспериментальных возможностей оценки плотности интерфейсных состояний. Для этого были поставлены и решены следующие задачи:

1. Усовершенствованы имеющиеся и разработаны новые методы анализа экспериментальных ВАХ;

2. Проделано дальнейшее развитие модели реального контакта металл-полупроводник на основе учёта нелинейной зависимости высоты барьера от смещения, вызванной эффектом сил изображения, влиянием туннельного тока и неоднородным распределением по энергии приповерхностных состояний в контакте;

3. Сделана проверка основных следствий модели на достаточно широком экспериментальном материале: на характеристиках электрохимических контактов и-ОаАв с Аи и N1, мало изученных контактов с ОД, и оригинальных контактов с 1г, технология которых создана в рамках данной работы;

4. Проведено детальное исследование, анализ и демонстрация противоречий наиболее распространённой в литературе альтернативной модели контакта - модели «седловых точек» и сравнение её возможностей с возможностями развиваемой нами модели;

5. Разработана оригинальная методика исследования КМП на основе АСМ-микроскопии с использование метода зонда Кельвина и впервые получены результаты, подтверждающие роль интерфейсных состояний в модификации свойств контактов.

Научная новизна работы:

1. Теоретический анализ и экспериментальная проверка подтвердили, что наиболее общий подход в описании вольтамперных характеристик реальных контактов может быть реализован на основе учёта нелинейной зависимости высоты барьера от смещения. Наиболее вероятной причиной, вызывающей нелинейность высоты барьера в реальных контактах, является неоднородное по энергии распределение интерфейсных состояний.

2. Получено выражение, содержащее реальную высоту барьера и описывающее экспериментальные вольтамперные характеристики в широком диапазоне температур, концентраций примеси в полупроводнике и диаметров контакта.

3. Впервые в рамках модели неоднородности высоты барьера в виде седловых точек проведено численное моделирование дисперсии высоты барьера для набора контактов металл-полупроводник, получено точное выражение для показателя идеальности и показано наличие существенных ограничений возможности данной модели в описании экспериментальных вольт-амперных характеристик при комнатной температуре и показателе идеальности <1,1.

4. Одновременное исследование морфологии, экспериментальных электрических характеристик и проведённый расчёт позволяют связать появление краевых эффектов с упругими напряжениями и объяснить зависимости высоты барьера от показателя идеальности флуктуациями механических напряжений, которые, вероятно, вызывают флуктуации плотности донорных состояний.

5. Впервые показано, что сканирование поверхности контакта металл-полупроводник кантилевером при наличии смещения на барьере Шоттки приводит к заряжению сканированной области и изменению её контактного потенциала. Экспериментально показано, что атомио-силовую микроскопию с методом зонда Кельвина можно использовать для исследования интерфейсных состояний контактов металл-полупроводник.

Практическая значимость. Разработаны методики анализа ВАХ, позволившие ускорить отработку эффективного способа осаждения иридия на арсенид галлия и получить совершенные выпрямляющие контакты.

Обоснованные модели, объясняющие основные закономерности поведения характеристик контактов с БШ, создают возможности более целенаправленной и эффективной работы по повышению качества контактов с БШ.

Предложенный в работе способ АСМ-зарядки поверхности полупроводника может быть основой новой техники литографии для прикладных целей.

Экспериментально показано, что АСМ-зарядку можно использовать для оценки плотности состояний.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Предложенное, на основе учёта нелинейной зависимости высоты барьера от смещения, обусловленной эффектом сил изображения и влиянием туннельной составляющей, простое выражение описывает ВАХ идеального контакта металл-полупроводник в широком диапазоне температур, концентраций примеси полупроводника, диаметров контактов.

2. В реальных контактах металл-полупроводник нелинейная зависимость высоты барьера от смещения, позволяющая объяснить основные особенности ВАХ, обусловлена неоднородным по энергии распределением интерфейсных состояний; связь измеряемой высоты барьера и показателя идеальности для набора однотипных контактов обусловлена флуктуациями плотности состояний.

3. Модель неоднородности высоты барьера в виде «седловых точек» (модель Танга) отличается противоречивостью и не способна описать экспериментальные ВАХ при комнатной температуре и показателе идеальности < 1,1.

4. Сканирование поверхности контакта металл-полупроводник кантилевером АСМ в контак том режиме при наличии смещения на барьере Шотгки приводит к заряжению интерфейсных состояний контакта металл-полупроводник и изменению конгактного потенциала.

Апробация работы:

Основные результаты докладывались на конференции: CriMiCo 2011 -21st International Crimean Conference: Microwave and Telecommunication Technology, Conference Proceedings (12-16 Sep., 2011, Sevastopol, Crimea, Ukraine).

Публикации:

По теме диссертации опубликовано 5 статей в научных рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК [1-5]. Все в зарубежных журналах, включенных в Web of Science и Scopus: Journal of Applied Physics (4-е публикации), Microelectronic Engineering (1-a публикация). Опубликован 1 тезис в материалах международной конференции [6]. Представленные в работе методики способствовали эффективной разработке высококачественных контактов Ir-GaAs, полученные электрохимическим осаждением. На способ осаждения оформлен патент [7].

Личный вклад автора.

Автором проведена разработка алгоритмов и соответствующего программного обеспечения для численной проверки известных моделей. Проведены все численные расчёты и основные эксперименты. Впервые для исследования интерфейса КМП автором был разработан и использован метод АСМ с МЗК. Кроме того автор принимал активное участие в общем планировании работы, в планировании и проведении экспериментов, в дальнейшем развитии моделей и в обсуждении результатов.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, 5 разделов, заключения и 5 приложений. Общий объём диссертации 152 страницы, из них 128 страниц текста и 13 страниц приложений, включая 68 рисунков и 5 таблиц. Библиографический список включает 138 наименований на 11 страницах.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность исследуемой проблемы, сформулирована цель работы и пути её достижения, представлены выносимые на защиту положения, описана структура диссертации.

Первый раздел представляет собой обзор литературных данных по теме диссертации. Здесь приведены современные представления об особенностях переноса заряда в КМП с БШ с учётом целого ряда факторов. В том числе: фундаментальные эффекты - сил изображения и туннелирования через барьер, наличие неоднородности высоты барьера, промежуточного слоя и интерфейсных состояний. Представлены основные соотношения, термины и определения. Наиболее важным здесь являются способы определения высоты барьера из ВАХ, т.к. в литературе существует некоторая путаница в этих понятиях. Любая ВАХ КМП может быть представлена в самом общем виде:

, ЛП-Т2 ( № {У)

I = АЛ Т ехр--^^

кт , (О

где А - площадь контакта, Л* - постоянная Ричардсона, q - заряд электрона, к - константа Больцмана, Т - температура. Так определяется эффективная высота барьера <рь, которая, в случае учёта эффекта туннелирования, естественно меньше реальной высоты барьера <ры:

<Ры=К+<Р>- (2)

Здесь К„, - максимум потенциала в барьере, - энергетический интервал между дном зоны проводимости и уровнем Ферми.

Согласно классическому способу, измеряемая по току насыщения, высота барьера <рЬт определяется касательной к ВАХ:

/

1 = АЯ'Т ехр

|ехр кТ 1

(ЧУ_ пкТ

(3)

Установлена связь между этими высотами барьера (= <ры) [1 *]:

, л\кТ АЛ'Т2

<Ры ="<Рьп, -("-!)—1п--—, (4)

Ч 1

означающая, что только для идеального контакта (и—>1) измеряемая высота барьера равна эффективной и обе они равны реальной.

Кроме того в данном разделе были кратко изложены основы атомно-силовой микроскопии с использованием метода зонда Кельвина и примеры использования данной методики для исследований плотности ловушек в различных структурах.

Во втором разделе рассмотрено явление нелинейной зависимости высоты барьера от смещения, а также возможные его проявления при традици-

онных способах анализа В АХ: появлении размерных эффектов в контакте и низкотемпературная аномалия ВАХ.

На основе нелинейной зависимости высоты барьера от смещения проведено чёткое разделение в терминологии высот барьеров, широко используемых в практике исследований: измеряемой из ВАХ по току насыщения высоты барьера <рЬт, зависящей от показателя идеальности; эффективной высоты барьера <рь, также определяемой из ВАХ, но не зависящей от показателя

идеальности; реальной

И

1.8

1.6

1.4

1.2

1,0

«Vе

0.8

0.6

0.4

0.2

10"

10'

10

Л^, см

-3

Рисунок 1 - Экспериментальные (значки) [2*] и расчётные (линии) зависимости высоты барьера и показателя идеальности контактов Р^^ОаАв от концентрации легирующей примеси; пунктирные линии -расчёт, сделанный в [2*]

высоты барьера <ры - максимума потенциала в ОПЗ, отсчитанного от уровня Ферми.

Детальный численный анализ прямой ВАХ «идеального» контакта с учётом эффекта сил изображения и туннели-рования в широком диапазоне температур, диаметров контактов и концентраций легирующей примеси показал близкое совпадение с экспериментальными данными, полученными в [2*] (рисунок 1). Результаты исследования позволяют сделать вывод, что из-

вестное чисто эмпирическое выражение:

/

/ = АЯ'Т2 ехр

Я<Рь„ пкТ

ехр

пкТ

(5)

не лишено оснований и величина <рьп~п<Рьт действительно близка к реальной высоте барьера <рь„ благодаря чему ВАХ можно представить в виде:

Г — \ / „т/ \

/ = АГТ2 ехр

т,

пкТ

ехр

дУ

пкТ

(6)

содержащем реальную (максимум потенциала), а не измеряемую высоту барьера.

Результаты второго раздела опубликованы в работах [2, 6]. В разделе третьем на примере реального контакта были проанализированы модели интерфейсных состояний, находящихся в равновесии с полу-

проводником: модель Бардина и модель тесного контакта. Спектр состояний представлялся в виде «хвостов» состояний, спадающих к середине запрещённой зоны от её краёв ((У-образная форма).

Проверка моделей проводилась на контактах Аи-ОаАБ, М-ОЭАБ И [Г-ОэАБ.

Экспериментальные ВАХ для контактов Аи-п-СаАв с диаметрами 500, 50 и 5 мкм (рисунок 2) с высокой точностью ап-

Рисунок 2 - Экспериментальные (значки) и рассчитанные в соответствии с МБ и МТК (линии) ВАХ контактов Аи-СаАв

проксимируются теоретическими зависимостями на основе модели Бардина и модели тесного контакта с одной и той же системой интерфейсных состояний (ИС) и приповерхностных состояний (ППС), соответственно, для всех диаметров. В случае МБ основные параметры распределения: концентрация вблизи границ запрещённой зоны - Ы°= 1,9-101 см 2эВ ', постоянная спада по энергии - Е0 = -0,25 эВ и ширина промежуточного слоя - ¿¡= 10 7 см; для МТК: /¥"= 1,21013см"2эВ Е0= -0,17 эВ, постоянная спада по координате (~ длинна распространения состояний вглубь полупроводника) - Я = 810"см.

Все экспериментальные зависимости параметров ВАХ вполне удовлетворительно аппроксимируются расчётными в рамках обеих рассматриваемых моделей контакта (рисунок 3) с той же системой параметров ИС и ППС,

1.06 •

1.04

1.02

• </ - 500 МКМ

• </ - 50 мкм » (/ - 5 мкм

-МБ

----МТК

..... Туннепнрование

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Г.В " 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Г,В

Рисунок 3 - Экспериментальные (значки) и рассчитанные в соответствии с МБ и МТК (линии) зависимости параметров ВАХ контактов Аи-СаАБ от смещения: показателя идеальности (а) и высот барьеров (б)

10

которая определена на рисунке 2. Здесь хорошо видна разница между различными способами определения высоты барьера из ВАХ. Высота барьера, измеряемая по току насыщения касательной к ВАХ рлт(3), зависит от показателя идеальности и, в связи с этим, падает с ростом смещения.

Отклонение <рьп от реальной высоты барьера <ры (рисунок 36) в рамках МТК, также как и для туннельного контакта, незначительно. Это означает, что изначально предложенное для идеального контакта с учётом эффектов туннелирования и сил зеркального изображения выражение (6) эффективно описывает и реальный контакт с относительно невысокой концентрацией легирующей примеси и в присутствии III 1С.

Нелинейность высоты барьера, обусловленная неоднородным по энергии распределением ИС (для МБ) и ППС (для МТК), полностью объясняет размерные эффекты в контактах Аи-ваЛв: рост показателя идеальности и падение измеряемой по току насыщения высоты барьера с уменьшением диаметра контакта (рисунок 4).

1.15

1.К1

1.05

......... —--*

V 0.84

' / -МБ ---МТК 0.82

■ ч .....ТуннеНфотшие ■ Эксперимент 0.80

0.78

10

ИХ) </, мкм

Рисунок 4 - Экспериментальные (значки) и рассчитанные в соответствии с МБ и МТК (линии) зависимости параметров ВАХ контактов Аи-СаАв от диаметра контакта

Аналогичная картина наблюдается в контактах ЫМЗаАБ (рисунок 5) и к-ОаАв (рисунок 6). ВАХ и их параметры хорошо аппроксимируются расчё-

I .(10

0.0

0.2

0.4

0.6 Г, В

Рисунок 5 - Зависимости экспериментальных (значки) и расчётных в соответствии с МТК (сплошные линии) параметров прямой ВАХ контактов М-ваЛв от смещения

п

1.08

1.06 им

5 мкм | 50 мкм \пс

-Л--0

10

- - - 2.55*10и см*

| .021----■-----—-

0.2 0.4 0.6 Г,В

Рисунок 6 - Экспериментальные (значки) и расчётных в соответствии с МТК (сплошные линии) зависимости п(У) для контактов 1г-СаА5

том.

Контакты №-СаАк характеризуются чувствительностью контактов малого диаметра к удалению защитного 8Ю2 с периферии контакта, тем более высокой, чем меньше диаметр. В контактах диаметром 5 мкм при удалении диэлектрика дисперсия высоты барьера существенно уменьшается, а средняя высота барьера увеличивается (рисунок 7). Таким образом, мы наблюдаем краевой эффект. Подобные эффекты известны из литературы и объясняются обычно упругими механическими напряжениями (УМЫ) в контакте, которые формируются под влиянием напряжений в металле и периферийном диэлектрике.

ШТ1

ii.737.mb

Z,hm

3(и1 21 HI 1(1(1

s¡oa Ni

К 1) - 500 мкм

\ ~~

{> ^ мкм 250 им 221 им

115 им

5 10 15 20 25 30 л,мкм

Рисунок 8 - Распределение толщины никелевых осадков в сечении контактов с различным диаметром

Рисунок 7 - Распределение эффективной высоты барьера в контактах Ni-GaAs диаметром 5 мкм

Благодаря АСМ исследованию (рисунок 8) мы видим, что особенность осаждения никеля такова, что толщина плёнки в малых контактах существенно меньше. Весьма вероятно, что именно это уменьшение толщины является причиной большей чувствительности малых контактов к удалению Si02. Можно предположить, что благодаря меньшим внутренним напряжениям тонкая металлическая плёнка в таких контактах подвергается большему воздействию УМН, созданными периферийным диэлектриком.

Одна из существенных и наиболее общих характеристик КМП - связь измеряемой высоты барьера <рь„, и показателя идеальности для набора однотипных контактов. Как правило, данная зависимость объясняется присутствием различного типа неоднородности высоты барьера. В рамках моделей с ИС рост значений п и уменьшение высот барьеров <phm и (ры для набора контактов Ni-GaAs диаметром 5 мкм (рисунок 9) могут быть полностью объяснены флуктуациями плотности донорных состояний в верхней части запрещённой зоны с 5-1012 до 7-1011 см 2эВ при неизменных других параметрах. По сути, предлагается модель неоднородного распределения ИС по поверхности полупроводника. Указанные зависимости (рьт(п) и <Ры(п) одинаково

хорошо описывают поведение параметров контактов при наличии диэлектрика по периферии контакта и без него (в последнем случае предельная плотность донорных состояний падает до 3,410псм"2эВ '). Это может свидетельствовать в пользу того, что УМН воздействуют на плотность состояний и при удалении диэлектрика она уменьшается.

Контакты [г-ОаАв представляют особый интерес, т.к. имеют мелкодисперсную структуру. Средний размер зерна варьируется в пределах 20-50 нм. Это может способствовать однородности осадка и меньшим механическим напряжениям в контакте. И действительно дисперсия высоты барьера в контактах к-СаАя существенно меньше, чем в никелевых и даже золотых контактах, которые благодаря пластичности металла должны иметь в этом смысле лучшие характеристики (рисунок 10).

В целом можно утверждать, что проведённые экспериментальные исследования показали более чем удовлетворительное согласие расчётных и экспериментальных зависимостей, что позволяет говорить о достаточной физической обоснованности предлагаемых моделей для интерпретации характеристик КМП. Все исследованные контакты Аи-СаАв, Ы1-ОаАБ, 1г-ОаА$ демонстрируют характерные признаки нелинейной зависимости эффективной высоты барьера <рь от смещения и влияние этой зависимости на поведение измеряемых и вычисляемых параметров контакта: п, <ры„, <Рь и <ры,- Модели интерфейсных состояний в отличие от моделей неоднородности высоты барьера хорошо объясняют зависимость параметров ВАХ от смещения. Причиной изменения значений п и <ры„ в 5-микронных контактах могут быть флуктуации плотности ИС или ППС.

Рисунок 9 - Связь высот барьера <Рь,п и <Ры с показателем идеальности для набора контактов М-СаАз диаметром 5 мкм и соответствующий расчёт в рамках МТК

а ,мВ

* 0.839 2.5

. |гбл5Ю. 0.812 41

Г . с N11 >, 0.6'Х> 40

Г . N1 Ле 1 ХЙ >, 0.741 24

,иЛг. МО • 0.894 1.4

V.. IrSo i.su >. 0.884 6.6

1>„ № с «О. 0.761 :к

Гьг № бет 8И >, 0.796 16

N1 с !йО,

Рисунок 10 - Распределение эффективной высоты барьера в контактах 1г-ОаА8 и М-ОаАэ диаметром 5 мкм

Результаты третьего раздела опубликованы в работах [1, 3, 4, 7] В четвёртом разделе проведён детальный анализ возможностей модели Танга неоднородности высоты барьера в виде седловых точек в описании экспериментальных В АХ и их параметров. Данная модель в настоящее время наиболее популярна при объяснении аномалия ВАХ. Анализ проводился на основе зависимости показателя идеальности от поданного смещения.

Суть модели состоит в наличии на поверхности КМП участков с пониженной высотой барьера - патчей. В результате взаимодействия потенциала данных участков с окружающим потенциалом образуется седловая точка.

Наиболее интересный и часто используемый случай для большого числа патчей, имеющих гауссовское распределение по характеристическому параметру (у), определяющемуся радиусом патча (И0) и величиной понижения высоты барьера в данной области (А): У = 3(/<12л/4)' . Основные параметры модели: с - плотность патчей на поверхности полупроводника (~10'"см и а..-среднеквадратичное отклонение у в распределении Гаусса (-510 5 В|/Зсм:'). ВАХ такого контакта имеет вид [3*]:

Л* -/¡сп

1/3

ехр

2/3 Л

1+егГ

(7)

Здесь ./м - плотность тока в однородной части контакта с высотой

барьера <р", А - полная площадь контакта, р = ц!кТ , г} = е, /qNl,, Уф = <раь - V - <р, - изгиб зон в однородной части контакта.

Было получено выражение полной площади неоднородной части контакта:

Т- 77К

II ю см

---п - 1 К) ' В'см1'

> I I I-•

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 V, В Рисунок 11 - Зависимости эффективной относительной суммарной площади неоднородной части контакта (8) от смещения (с = 10|нсм и

плотности патчей с; Д'д=10"'см 1

^ - Л ■ \Р -

4 С„С ,-

= А--

9 р

г \2/3 1

(8)

(рисунок 11). Используя это выражение, удалось сформулировать условие применимости модели:

с <

9 р^л

16<т 72

Ч )

2/3

(9)

согласно которому максимальная плотность патчей для стандартных <Ту составляет ~ 1,510"см I Получено точное выраже-

ние показателя идеальности ВАХ модели неоднородности в виде седловых точек:

«,.„ = 1-

4, [27,У^(г2 + 1)-г2]| з р\\ 1 + л^г2

(10)

где

2,=

_Ра_

(11)

Показано, что точное выражение для показателя идеальности ВАХ (10) при комнатной температуре и показателя идеальности <1,1 даёт отрицательный наклон зависимости п(У) и, таким образом, не соответствуют экспериментальным значениям п для исследованных контактов Аи-СаАв, М-СаАв,

Рисунок 12 - Экспериментальные (сплошные линии) и рассчитанные по (10) (штриховые линии) зависимости п( У) для контактов Аи-ОаАБ (а), СзАб (б), [г-ваАз (в), РМ^Ь-СаАв (г);

[г-ОэЛб, Р^ЯЬ-ОаАз в широком диапазоне концентраций патчей: 107-510"см 1 (рисунок 12). Нужно отметить, что, как было показано в работе, учёт влияния сопротивления может сказаться только для напряжений > 0,6 В и не может объяснить отрицательного наклона зависимости показателя идеальности от смещения при меньших напряжениях.

Экспериментальные зависимости показателя идеальности для разных диаметров контактов укладываются на единую кривую (исключая отклонения обусловленные токами утечки и влиянием сопротивления), как и было предсказано в рамках модели, учитывающей нелинейность высоты барьера.

Проведённый анализ модели Танга обнаружил существенно большее влияние концентрации на величину показателя идеальности, чем наблюдается в эксперименте. Так рост Ад с 1016 см 3 до 5-1016 см 3 увеличивает показатель идеальности с 1,011 до 1,122 (V = 0), что в реальных контактах не замечено.

Анализ активно используемого в литературе приближённого выражения для показателя идеальности ВАХ контакта с неоднородностью в виде «сед-ловых точек» (7) [3*]:

Ра;

~ '+ Зт72/3К;/3 (12)

обнаружил значительные расхождения с расчётом согласно точному выражению (10).

В данной работе впервые проведено прямое численное моделирование ВАХ набора контактов (подобно эксперименту до 50 контактов каждого диаметра), с использованием генератора псевдослучайных чисел (ГПСЧ), соответствующим образом изменённого для получения распределения Гаусса, в условиях наличия неоднородности по типу Танга с распределением Гаусса по параметру у.

Сравнение с экспериментальными значениями среднеквадратичного отклонения измеряемой высоты барьера (а,р) показывает, что для величин параметров, наиболее часто встречающихся в литературе, расчётные кривые оказываются на один два порядка ниже (рисунок 13). В отдельных случаях моделируемые значения о^, близки к экспериментальным, но показатель идеальности для данных значений параметров модели оказыва-

<7 ,мВ

т

100 10 I

0,1

«»О-'-10 А

|5'|-2)

ЛЯ4М*

|к<1 ТнНИЛа |НоН2 N» шн 41 ф ¡"'I Aiwi.'l, W i 'I.TII

4

ЕМ""*1 ........

1 10 100 с/,мкм

Рисунок 13 - Экспериментальные (значки) и смоделированные (сплошные линии) зависимости среднеквадратичного отклонения от диаметра контакта

ется > 1,2. Кроме того на данных кривых наблюдается уменьшение среднеквадратичного отклонения в контактах малого диаметра из-за небольшой плотности патчей с ~ 107см . Подобной картины в эксперименте не наблюдается.

Таким образом, модель Танга неоднородности высоты барьера в виде седловых точек не может описать экспериментальные характеристики при комнатной температуре и показателе идеальности < 1,1. Хотя при низкой температуре (77 К) она даёт результаты качественно, а иногда количественно, близкие к реальным.

Отдельные результаты четвёртого раздела опубликованы в работе [3].

В пятом разделе представлено явление заряжения сканированной области КМП в процессе пропускания тока при прохождения АСМ-зонда.

В данной работе впервые сделана целенаправленная попытка применить метод АСМ-зарядки к исследованию структуры с БШ - Аи-п-ОаАв. Метод состоит в пропускании тока при постоянном смещении через контакт с последующим измерением контактной разности потенциала (КРП) методом зонда Кельвина (МЗК), т.е. в бесконтактном режиме.

АСМ-изображение рельефа и КРП поверхности контакта Аи-п-ОаАв вместе с сечениями этих изображений в вертикальной плоскости представлены на рисунке 14. Напряжение смещения в процессе зарядки Уг = -10 В. Первая, вторая и третья области с изменённым потенциалом (слева

направо) на рисунке 14в и рисунке 14г соответствуют одному, двум и трём циклам зарядки участка поверхности площадью 10x10 мкм. Обработка поверхности металла в растворе Н2804:Н20 =1:10 качественно не изменяет картину.

Величина Уы (индуцированный потенциал) растёт с ростом времени сканирования и ростом обратного смещения. Среднее время зарядки составляет - 2 мкс. Скорость же разрядки - сотни часов. Это позволяет создавать сложный рисунок потенциала (рисунок 15).

Рельеф

(а)

7,нм 60

(б) 30

0

I нм I НК||

40

80 А",МКМ

кгп

ш. ж

Щпмкм

80 Л>1КМ

Рисунок 14 - АСМ-изображение рельефа поверхности и КРП после зарядки

Г/Л

А77/

КРИ

о

мкм

и

мкм

мкм

Рисунок 15 - Примеры модификации потенциала

Подтверждением того что заряд скапливается именно на границе КМП, является больший индуцированный потенциал в структурах с более тонкой металлизацией.

Поляризованные участки поверхности золота обнаружили ещё одно удивительное свойство изменение химической активности. Как оказалось, скорость их травления выше, чем на остальной поверхности. Это позволяет формировать сложный рельеф (рисунок 16) и может служить основой для

новой методики литографии.

„„

В рамках данной работы представленное явление имеет особе значение с точки зрения оценки состояния интерфейса контакта металл-полупроводник.

Были изготовлены две структуры. В первом случае финальная обработка перед осаждением золота состояла только в декапировке в растворе серной кислоты с последующей промывкой. Во втором - в обработке в аммиачно-перекисном растворе и в растворе ЫН40П:Н20 = 1:5.

Как известно из литературы, сернокислотная обработка оставляет на поверхности ваЛя элементный мышьяк. После второй обработки элементный Аб на поверхности отсутствует.

Рисунок 16 - Литография на основе АСМ-зарядки

Аи-СгаА<!

тАОМ -т ВАХ

• <«>-0.»Л В

Рисунок 17 - Величина индуцированного потенциала (значки) и <рь-<рь(0) из ВАХ (сплошные линии)

И действительно. 1фи напряжении зарядки (-10 В), после сернокислотной обработки изменение КРП составляет ~350 мВ (рисунок 17а), а после аммиачной обработки изменение КРП уже 180-200 мВ (рисунок 176). Обращает внимание хорошее совпадение потенциала зарядки, полученного с помощью АСМ. и изменения эффективной высоты барьера, полученного из ВАХ данного контакта (линии на рисунке). Для сравнения также приведены данные по контактам \VSi2-GaAs, полученным магнетронным распылением, также после аммиачной обработки (рисунок 11в).

Вероятнее всего, именно значительная концентрация поверхностных состоянии. обусловленных Аз-комплексами, на поверхности полупроводника после обработки в растворе 1Ь80.| привела к большему накопленному заряду в интерфейсе. Близкое совпадение результатов АСМ-зархдки и ВАХ приводит к выводу: состояния, участвующие в (троцесее захвата заряда при АСМ-зарядке и состояния участвующие в обмене заряда в процессе измерения вольтамперной характеристики - суть одни и ге же состояния. В связи с тем, что измерение потенциала МЗК проводится в бесконтактном режиме, переноса заряда не происходит и система остаётся в неравновесном состоянии, что и позволяет измерить накопленный заряд.

Была проведена оценка перезаряжающихся состояний на основе МБ. Полное число перезаряжающихся состояний составляет 1,910|2см"2 для сер-

нокислотной и 1,1- 1012см"2 для аммиачной обработки при смещении зарядки -

L0B.

Результаты пятого раздела опубликованы в работе [5].

В Заключения отражены основные выводы.

1. Наиболее общий подход в описании ВАХ реальных контактов может быть реализован на основе учёта нелинейной зависимости высоты барьера от смещения. При этом механизмы, лежащие в основе нелинейной зависимости, могут быть достаточно разнообразными.

2. С проявлениями нелинейности высоты барьера в совокупности с условием постоянства тока связаны известные «аномалии ВАХ»: низкотемпературная аномалия, связь измеряемой высоты барьера с показателем идеальности, а также размерные эффекты.

3. ВАХ идеального контакта, при учёте эффектов сил изображения и туннелирования, в широком диапазоне температур, концентраций примеси в полупроводнике и диаметров контакта может быть описана простым выражением, которое помимо измеряемого показателя идеальности содержит реальную высоту барьера в контакте, учитывающую понижение высоты барьера за счёт эффекта сил изображения.

4. Наиболее вероятная причина нелинейности высоты барьера в реальных контактах - неоднородное по энергии распределение интерфейсных или приповерхностных состояний, находящихся в равновесии с полупроводником.

5. Разброс параметров ВАХ и связь измеряемой высоты барьера с показателем идеальности для набора однотипных контактов обусловлены флукту-ациями ИС, связанными, в отдельных случаях, с механическими напряжениями в КМП.

6. Проведённое моделирование дисперсии высоты барьера в модели Танга неоднородности высоты барьера в виде седловых точек, анализ зависимости показателя идеальности от напряжения и сравнение с экспериментальными данными показали невозможность применения данной модели при комнатной температуре и показателе идеальности <1,1.

7. Показано, что сканирование поверхности КМП зондом АСМ при подаче смещения на БШ приводит к заряжению сканированной области и изменению её поверхностного потенциала. Описанная методика применена для оценки плотности состояний в интерфейсе КМП.

Основные публикации по теме диссертации

Статьи, опубликованные в журналах, включенных в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание учёной степени доктора и кандидата наук, и в Web of Science:

1. Bozhkov, V. G. About the determination of the Schottky barrier height with the C-V method / V. G. Bozhkov, N. A. Torkhov, A- V. Sbmargunov // J. Appl. Phys. - 2011. - V. 109, Is. 7. - 073714. - 10 pp. - 0,6/0,1 p.p. - DOI: 10.1063/1.3561372

2. Bozhkov, V. G. Influence of the nonlinear bias dependence of the barrier height on measured Schottky-barrier contact parameters / V. G. Bozhkov, A. V. Shmargunov // J. Appl. Phys. - 2011. - V. 109, Is. 11.-1I3718.- 10 pp.-0,6 / 0,3 p.p. - DOI: 10.1063/1.3587233

3. Bozhkov, V. G. Investigation of special features of parameters of Schottky barrier contacts caused by a nonlinear bias dependence of the barrier height / V. G. Bozhkov, A. V. Shmargunov // J. Appl. Phys. - 2012. - V. Ill, Is. 5. -053707 - 10pp.-0,6/0,3 p.p.-DOI: 10.1063/1.3691959

4. Bozhkov, V. G. The Ir-n-GaAs Schottky barTier contacts made by electrochemical deposition / V. G. Bozhkov, A. V, Shmargunov, T. P. Bekezina, N. A. Torkhov, V. A. Novikov // J. Appl. Phys. - 2014. - V. 115, Is. 22. - 224505. - 8 pp. - 0,5 /0,15 p.p. - DOI: 10.1063/1.4867778

5. Shmargunov A.V. AFM study of charging of the Au-n-GaAs contact / A. V. Shmargunov, V. G. Bozhkov, V. A. Novikov // Microelectronic Engineering. -2015. - V. 133. - P. 73-77. - 0,3 / 0,2 p.p. - DOI: 10.1016/j mee.2014.12.006

Патент:

6. Пат. № 2530963 Российская Федерация, С2, МПК С 25 D 3/50, С 25 D 7/12. Электролит для электрохимического осаждения иридия на арсенид галлия и способ его приготовления / Бекезина Т. П., Мокроусов Г. М., Божков В. Г., Бурмистрова В. А., Торхов Н. А., Шмаргунов А. В.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет» (ТГУ) (RU), Открытое акционерное общество «Научно-исследовательский институт полупроводниковых приборов» (ОАО «НИИПП») (RU). - №2013101201/02; за-явл. 10.01.2013; опубл. 20.10.2014, Бюл. № 29. - 10 с. -0,6 / 0,06 п л.

Публикация в сборнике трудов конференции, включенном в Scopus:

7. Bozhkov, V. G. Influence of the nonlinear bias dependence of the barrier height on measured Schottky-barrier contact parameters / V. G. Bozhkov, A. V. Shmargunov // CriMiC'o 2011-2011 21st International Crimean Conference: Microwave and Telecommunication Technology, Conference Proceedings. Sevastopol, 12-16 September 2011. - Sevastopol, 2011. - P. 247. - 0,1 / 0,05 p.p.

Список цитированной литературы

1* Божков В.Г. О природе «низкотемпературной аномалии» в контактах металл-полупроводник с барьером Шоттки/ В.Г. Божков//Иэвестия вузов. Радиофизика. -2002. -Т.45. -№5. -С. 1.

2* Broom R. F. Doping dependence of the Schottky-barrier height of Ti-Pt contacts to n-gallium arsenide/ R. F. Broom, H. P. Meier, and W. Walter// J. Appl. Phys. -1986. -V.60. -P. 1832.

3* Tung R. T. Electron transport at metal-semiconductor interfaces: General theory/R. T. Tung// Phys. Rev. B. -1992.-V.45.-P. 13509.

4* Jones F. E. Current transport and the role of barrier inhomogeneities at the high barrier n-lnP | poly(pyrrole) interface/ F. E. Jones, B. P. Wood, J. A. Myers, C. Daniels-Hafer, and M. C. Lonergan // J. Appl. Phys. -1999. -V.86, -P.6431.

5* Qetin H. On barrier height inhomogeneities of Au and C'u/n-InP Schottky contacts/ H. Qetin, E. AyyildizZ/Physica B. -2010. -V.405. -P.559.

6* Schmitsdorf R. F. Explanation of the linear correlation between barrier heights and ,ideality factors of real metal-semiconductor contacts by laterally nonuniform Schottky barriers/ R. F. Schmitsdorf, T. U. Kampen, and W. Mfinch // J. Vac. Sci. Technol. B. -1997. -V. 15. -P. 1221.

7* Saipatwari K. Effects of barrier height inhomogeneities on the determination of the Richardson constant/ K. Sarpatwari, S. E. Mohney, and О. O. Awadel-karim//J. Appl. Phys. -2011. -V.109.-P.0I4510.

8* Forment S. Influence of hydrogen treatment and annealing processes upon the Schottky barrier height of Au/n-GaAs andTi/n-GaAs diodes/S. Forment, M. Biber, R.L. Van Meirhaeghe, W.P. Leroy and A. TtlrUt// Semicond. Sci. Technol. -2004.-V. 19.-P. 1391.

9* Biber M. The effect of Schottky metal thickness on barrier height inhomo-geneity in identically prepared Au/n-GaAs Schottky diodes/ M. Biber, 0. GllllU, S. Forment, R.L. Van Meirhaeghe and A. TtlrUt // Semicond. Sci. Technol. -2006. -V.21.-P.1.

10* Akkilif K. Correlation between barrier heights and ideality factors of Cd/n-Si and Cd/p-Si Schottky barrier diodes/ K.. Akkiliv, A. TtlrUt, G. C^ankaya, T. Kili^oglu// Solid State Communications. -2003. -V.125. -P.551.

11* Wittmer M. Ideal Schottky Diodes on Passivated Silicon/ M. Wittmer and J. L. Freeouf// Phys. Rev.Lett. -1992. -V.69. -P.2701.

1 5- -799 1

Тираж 100. Заказ 408.

Томский государственный университет систем управлении и радиоэлектроники

634050, г Томск, пр. Ленина, 40. Тел. 533018.

2015675677

2015675677