2 Граница полупроводник—диэлектрик

Свойства среды, с которой граничит полупроводник, оказывают влияние на свойства приповерхностного слоя. Примером могут служить границы (контакты) полупроводников с металлами, рассмотренные в предыдущем разделе. Как было показано, наличие металла на поверхности полупроводника приводит к образованию в последнем обедненных или обогащенных слоев. Аналогичные процессы имеют место на границе полупроводника с диэлектриком.

Особый интерес представляет граница кремния с двуокисью кремния Si—SiO₂, поскольку поверхность всех современных полупроводниковых ИС защищается окисным слоем. Кроме того, в структурах МДП, выполненных на основе кремния, в качестве диэлектрика тоже, как правило, используется слой SiO₂.

Главная особенность слоев (пленок) двуокиси кремния, используемых в ИС, состоит в том, что они всегда содержат примеси донорного типа.

Наиболее распространенными примесями такого типа являются натрий, калий и водород. Все они содержатся в типовых растворах, которыми обрабатывают поверхности кремния и его окисла.

Донорные примеси, свойственные пленке SiO₂, сосредоточены вблизи границы с кремнием. Поэтому в пленке SiO₂ на границе с кремнием образуется тонкий слой положительно заряженных донорных атомов, а отданные ими электроны переходят в приповерхностный слой кремния. Последствия такого перехода зависят как от типа проводимости полупроводника, так и от концентрации донорных примесей в диэлектрике. Поскольку донорные атомы сосредоточены в очень тонком слое диэлектрика, объемная концентрация (см^–3) оказывается неудобным параметром и вместо нее используют поверхностную концентрацию (см^–2). Характерными значениями поверхностной концентрации доноров в двуокиси кремния являются N_{Д SiO2} = (0,5–2,0)·10^–12 см^–2.

Если кремний имеет проводимость n-типа, то электроны, перешедшие в него из окисла, обогащают его приповерхностный слой основными носителями: образуется так называемый n-канал (рис. 3.9,а). Если же кремний имеет проводимость p-типа, то электроны, перешедшие в него из окисла, либо обедняют приповерхностный слой, «обнажая» отрицательные ионы акцепторов (рис. 3.9,б), либо образуют наряду с обедненным слоем тонкий инверсионный n-слой (рис. 3.9,в).

Рис.3.9. Приповерхностная структура кремния на границе с окислом:

а – обогащенный слой; б – обедненный слой;

в – обедненный слой с инверсным каналом

Возникновение незапланированных каналов под слоем SiO₂ в приборах, работающих как с использованием р-n-переходов, так и МДП, может нарушить структуру этих приборов и нормальную работу элементов ИС.

3 Гетеропереходы

Гетеропереходом называют переходный слой с существующим там диффузионным электрическим полем между двумя различными полупроводниками, которые отличаются друг от друга шириной энергетических зон.

При образовании таких контактов происходит перераспределение носителей заряда, что приводит к появлению контактной разности потенциалов и к выравниванию уровней Ферми (рис. 3.10).

Все остальные энергетические уровни после возникновения контактной разности потенциалов должны соответственно изогнуться. При этом энергетический уровень потолка верхней свободной зоны должен быть непрерывным.

Обычно энергетический уровень потолка верхней свободной зоны является энергетическим уровнем потолка зоны проводимости, так как свободные энергетические зоны перекрываются друг с другом. Так как ширина энергетических зон различных полупроводников различна, то на металлургическом контакте гетероперехода получается обычно разрыв дна зоны проводимости. Величина разрыва дна зоны проводимости определяется различием энергий сродства к электрону двух различных полупроводников (энергия сродства к электрону есть разница энергий потолка верхней свободной зоны и дна зоны проводимости).

Рис.3.10. Энергетические диаграммы гетеропереходов: а – выпрямляющий контакт между полупроводниками р- и n-типов с преимущественной инжекцией электронов в узкозонный полупроводник; б - выпрямляющий контакт между полупроводниками n-типа – контакт без инжекции неосновных носителей заряда.

В результате разрывов дна зоны проводимости и потолка валентной зоны высота потенциальных барьеров для электронов и дырок в гетеропереходе оказывается различной. Это является особенностью гетеропереходов, обусловливающей специфические свойства гетеропереходов в отличие от гомопереходов.

Каждый из полупроводников, образующих гетеропереход, может иметь различный тип электропроводности. Поэтому для каждой пары полупроводников в принципе можно осуществить четыре комбинации структур: p₁-n₂, n₁-n₂, n₁-p₂ и p₁-p₂.

Из-за различия по высоте потенциальных барьеров для электронов и для дырок прямой ток через гетеропереход связан обычно с движением носителей заряда только одного типа. Поэтому гетеропереходы могут быть как инжектирующими (рис. 3.10,а), так и неинжектирующими (рис. 3.10,б).

Однако для того чтобы получить гетеропереходы с достаточно хорошими характеристиками, кристаллическая решетка одного полупроводника должна с минимальным количеством нарушений переходить в кристаллическую решетку другого полупроводника, т. е. должны быть близки параметры кристаллических решеток полупроводников, образующих гетеропереход. Дефекты, возникающие на границе раздела двух полупроводников, создают условия для рекомбинации и генерации носителей заряда в гетеропереходе — рекомбинационные ловушки. В результате механизмы прохождения тока через реальный и идеальный гетеропереходы могут отличаться, что не даст возможности использовать специфические свойства гетероперехода.

Выращивание слоев одного полупроводника на пластинах другого осуществляется при относительно высоких температурах. При этом может происходить диффузия примесей из одного полупроводника в другой, изменение исходных типов электропроводности, искажение теоретических энергетических диаграмм и соответственно изменение свойств гетероперехода.

В результате, несмотря на многообещающие перспективы, гетеропереходы не нашли еще достаточного практического применения. В настоящее время наиболее изученными следует считать пары: Ge—GaAs, Ge—Si, GaAs—GaP и GaAs—InAs.

Выводы по лекции

Таким образом, контакты металл-полупроводник, могут обладать выпрямляющими свойствами и быть основой диодов. Диоды, использующие барьеры Шоттки, называют диодами Шоттки.

Вариантом выпрямляющих контактов является контакт, в котором вблизи границы с металлом образуется инверсионный слой, т.е. слой с противоположным типом проводимости.

невыпрямляющие комбинации металла с полупроводником называют омическими контактами.

Омические контакты осуществляются в местах присоединения выводов к полупроводниковым слоям. Получение омических контактов — задача не менее важная, чем получение выпрямляющих контактов.

Гетеропереходом называют переходный слой с существующим там диффузионным электрическим полем между двумя различными полупроводниками, которые отличаются друг от друга шириной энергетических зон.

Из-за различия по высоте потенциальных барьеров для электронов и для дырок прямой ток через гетеропереход связан обычно с движением носителей заряда только одного типа.

Лекция № 9: Инерционные свойства p-n-перехода