Рожков В. А., Родіонов М. А., Пашин А. В., Гурьянов А. М. Самарський державний університет вул. акад. Павлова, 1, Самара – 443011, Росія Тел.: (8462) 34-54-55; e-mail: rozhkov@ssu.samara.ru

Анотація – Досліджено електрофізичні властивості МДН-структур Al-Dy203-Gd203-Si. Встановлено, що електропровідність МДП-структур на постійному струмі задовільно описується механізмом Пула – Френкеля. Визначено значення щільності поверхневих станів на межі поділу напівпровідник – діелектрик, величини швидкості поверхневої генерації і часу життя неосновних носіїв заряду. Показана перспективність використання досліджених структур в якості МДП-варикапів і параметричних СВЧ діодів.

I. Вступ

Розвиток мікроелектроніки викликає необхідність пошуку нових перспективних діелектричних матеріалів. До таких матеріалів відносяться оксиди рідкоземельних елементів (РЗЕ), які характеризуються високою хімічної і термічної стійкістю, великими значеннями діелектричної проникності (s = 8-20) і питомого опору (р = 1013-1016 Ом-см), мають гарну адгезію до поверхні кремнію. На їх основі розроблені МДП-варикапів і фотоварикап, МДП-транзистори, електричні і теплові перемикачі, термостійкі і ефективні просвітлюючі і пасивуючі діелектричні покриття для фотоелектричних приладів. Метою даної роботи було дослідження електрофізичних властивостей МДН-структур з двошаровими діелектричними плівками з оксиду гадолиния та оксиду диспрозия.

II. Основна частина

Зразки для дослідження виготовлялися на кремнієвих монокристалічних підкладках марки КЕФ-5 і КДБ-4, 5 з орієнтацією (111) і (100) відповідно. Перед нанесенням діелектрика кремнієві пластини проходили ультразвукову мийку в ацетоні протягом 10 хв. і потім сушилися на повітрі. Плівки РЗЕ наносилися методом термічного розпилення рідкоземельного металу у вакуумі при тиску (2-3) -10 ‘5 Тор з молібденової човники на установці типу ВУП-5. На кремнієві підкладки послідовно напилюють шари гадолиния і диспрозия. Отримані двошарові плівки РЗЕ окислялись в трубчастому кварцовому реакторі, вміщеному в муфельну піч типу СУОЛ-О.4.4, на повітрі при температурі 500-520 ° С протягом 40 хв. Товщина кожного діелектричного шару оксиду РЗЕ в досліджуваних структурах лежала в межах 350-400 А. Контакти до діелектричному шару виготовлялися вакуумним термічним напиленням алюмінію через трафарет. Площа металевого електрода становила 2,7-10 ‘3 см2. З протилежного боку кремнієвої пластини наносився суцільний контакт з алюмінію.

Встановлено, що вольтамперні характеристики МДН-структур, виміряні на постійному струмі, практично симетричні, а електропровідність зразків задовільно описується механізмом Пула-Френкеля, який представляє собою термічну генерацію електронів з об’ємних пасток в зону провідності діелектрика, полегшену електричним полем. Коефіцієнти випрямлення для різних зразків лежали в межах 1,1-2. Величини питомого опору двошарових плівок оксидів РЗЕ, визначені з ВАХ, становлять 1012-1014 Ом-см.

Дослідження властивостей межі розділу напівпровідник – діелектрик в МДП-структурах здійснювалося за допомогою вимірювання високочастотних вольт-фарадних характеристик. На рис.1 зображені типові вольтфарадние характеристики МДП-систем Al-Dy203-Gd203-Si нормовані до ємності діелектрика, а також теоретично розраховані характеристики, для ідеальної МДП-структури [1].

З графіків видно, що для досліджуваних зразків експериментальні криві зміщені щодо ідеальних в бік негативних напря-

V.V

Рис. 1. Нормовані до ємності діелектрика вольтфарадние характеристики структури АШугОз-вс/гОз-п Si (1, 2) і AI-Dy203-Gd203-pSi (3, 4): 2,3 – теоретичні залежності,

1,4 – експериментальні залежності.

Fig. 1. Volt-farad-characteristics of structure normalized to dielectric capacitance AI-Dy203-Gd2C>3-nSi (1, 2) and AI-Dy203-Gd2C>3-pSi (3, 4): 2,3- theoretical dependences, 1,4- experimental dependences

жений, що свідчить про наявність вбудованого позитивного заряду в діелектрику і на межі розділу напівпровідник – діелектрик. Наявність позитивного вбудованого заряду характерно для термічно вирощених окисних плівок [2]. Величина поверхневої густини вбудованого заряду в діелектрику Qss, Визначена для випадку плоских зон на поверхні напівпровідника, дорівнювала 8,9-10 “8 Кл / см2. Щільність поверхневих станів при напрузі плоских зон в досліджених зразках становила 5,6-Ю11 см ‘2. Величини коефіцієнтів перекриття по ємності для виміряних структур змінювалися в межах 9-12.

Дослідження залежності тангенса кута діелектричних втрат tgS та активної складової провідності G від прикладеної напруги V при частоті сигналу 1 МГц показало, що характеристики tgS від V мають максимум при напрузі плоских зон і тенденцію до насичення в області напруг, відповідних акумуляції та інверсії на поверхні напівпровідника. При цьому величини тангенса кута діелектричних втрат в області напруг, відповідних акумуляції поверхні напівпровідника основними носіями заряду, перевищували аналогічні значення для області інверсії. На кривих G від V спостерігається плавне зростання провідності при переході від збідніння до збагачення і насичення її в області напруг, відповідних інверсії та акумуляції поверхні напівпровідника. Значення провідності для досліджуваних структур при різних напругах лежать в межах від 0,0028 до 0,72 мСм. Величина tgS змінюється в інтервалі від 0,018 до 0,381.

Для визначення швидкості поверхневої генерації і часу життя неосновних носіїв заряду проведено вимірювання кінетичних залежностей ємності при нерівноважному збіднінні поверхні напівпровідника основними носіями заряду, створюваному прямокутними імпульсами напруги. Об’ємне час життя г та швидкість поверхневої генерації неосновних носіїв заряду S розраховувалися за методикою Цербста [3]. Для цього отримані залежності ємності від часу перебудовувалися в координатах Цербста, де характеристики мають прямолінійний вигляд. Швидкість поверхневої генерації неосновних носіїв заряду S у досліджуваних структур змінюється в межах 47-67 см / с, а об’ємне час життя г приймає значення 0,3-0,6 мкс.

I. Висновок

Таким чином, проведені дослідження показують, що вивчені структури володіють високими коефіцієнтами перекриття по ємності, хорошими ізолюючими властивостями, високою якістю кордону розділу напівпровідник-діелектрик та перспективні для створення МДП-варикапів і параметричних СВЧ діодів

II. Список літератури

[1] Goetzberger A. Ideal MOS-curves for silicon. // Bell System Technical Journal. – 1966. – Vol. 45. – № 7. – P. 1097-1121.

[2] Вдовін О. С., Кірьяшкіна 3. І., казанків В. М. та ін Плівки оксидів рідкоземельних елементів в МДМ-і МДП-структурах. Саратов: Саратовський університет, 1983. – 160 с.

[3] Zerbst М. Relaxationeffekte an Halbleiter-lsolator-Grenzflachen. / / Zeit. angew. Phys. -1966. – В. 22. – № 1. –

S.   30-33.

SILICON MIS-VARACTORS WITH THE DOUBLE LAYER DIELECTRIC FILMS FROM RARE-EARTH OXIDES

Rozhkov V. A., Rodionov M. A.,

Pashin A. V., Guriyanov A. M.

Samara State University 1 Acad. Pavlov St., Samara – 443011, Russia Phone: (8462) 345455 E-mail: rozhkov@ssu.samara.ru

Abstract – Electrical and physical properties of Al-Dy203– Gd203-Si MIS-structures have been investigated. Values of surface states density on interface: semiconductor – dielectric, values of surface generation velocity and lifetime of minority charge carriers were determined.

I.  Introduction

Development of microelectronics calls necessity of search of new perspective dielectric materials. Rare-earth oxides (REO) belong to these materials that are characterized with high chemical and thermal constancy large values of dielectric constant (s=8-20) and unit area resistance (p=1013-1016

Om-cm). The purpose of this work is research of electrical and physical properties of MIS-structures with double-layer dielectric films from gadolinium oxide and disprosium oxide.

II.  Main part

It is stated that voltage-current characteristics of Al-Dy203– Gd203-Si MIS- structures measured on direct current are practically symmetric and electrical conductivity of samples is satisfactorily described by mechanism of Pool-Frenckel.

Investigations of properties of interface: semiconductor- dielectric in MIS-structures is carried out with help of measure of high-frequency farad-voltage characteristics. They were recorded at 1 MHz frequency onto the tape of a self-recording potentiometer. In Fig. 1 typical voltage-farad characteristics of Al-Dy203-Gd203-Si MIS-systems normalized by the oxide capacity and theoretically calculated characteristics for ideal MIS- structure are drawn. The high values of the dielectric permittivity of oxide films provide a high specification of the studied structures. The slope of volt-farad characteristics, the specific capacity of the dielectric and the capacitance overlapping coefficient grow higher with the decrease of dielectric thickness and they are 3-5 times higher for the structures with REO films than for similar structures with dielectric material (Si02, Sio,Si3N4, etc.). It is seen from graphs that experimental curves were displaced in accordance with ideal curves to the side of negative voltage. This result is an indication of positive building charge into dielectric and on interface: semiconductor-dielectric. Value of surface density of building charge in into dielectric Qss defined for cases of flat zones potential on surface of semiconductor was equal 8,9-1 O’8 Coul/cm2. Surface state density in the samples was equal 5,6-1011 cm’2. Values of the capacitance overlapping coefficient for measure of structures were equal 9-12.

For definition of surface generation velocity and lifetime of minority charge carriers measure of kinetic dependencies of the capacity C(t) by nonequilibrium impoverishment of semiconductor surface with main carriers created with rectangular voltage impulses. Bulk lifetime т and surface generation velocity of minority charge carriers S were calculated on methodic of Zerbst [3]. Surface generation velocity S by investigated structures changes beyond the bounds 47-48 cm/s and lifetime takes value 0.3-0.6 |xS.

III. Conclusion

The carried out investigations show that structures to be studied have the high capacitance overlapping coefficient with high quality of interface: semiconductor-dielectric and perspectives for creation of MIS-varactors and parametrical microwave frequency diodes.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології»