Явление дополнительного электрического поля в контактах металл - полупроводник

На физическом факультете Бакинского Государственного Университета в результате многолетних научно-исследовательских работ в области физики конденсированных сред, проведенных под научным руководством проф. Р.К.Мамедова, было установлено [1] неизвестное ранее физическое явление возникновения дополнительного электрического поля (ДЭП) в реальных контактах металл – полупроводник (КМП).

Эта структура является основным физическим элементом практически всех видов дискретных полупроводниковых приборов и компонентов интегральных микро- и наносхем. В последние годы явление ДЭП стало важным объектом экспериментальных исследований с помощью Атомно – Силовой Микроскопии в таких научных центрах как Томский Государственный Университет и Научно – Исследовательский Институт Полупроводниковых приборов Российской Федерации.

Сущность явления ДЭП заключается в следующем. Согласно теоретической модели Шоттки [2], если определенная поверхность металла с работой выхода Ф_М непосредственно контактируется с поверхностью полупроводника n – типа с работой выхода Ф_S и Ф_М ~ Ф_S, то КМП обладает омическими свойствами и схематически изображается как на рисунке 1а. В действительности, при непосредственном контакте металла с полупроводником, работы выхода (~ 4–5 эВ) их свободных поверхностей, примыкающих контактной поверхности остаются неизменными, а высота потенциального барьера контактной поверхности становиться порядка 1 эВ. Возникновение контактной разности потенциалов между контактной поверхностью и примыкающими к ней свободными поверхностями металла и полупроводника образует ДЭП с интенсивностью EF вокруг боковой области металла, которое при микро- и нано КМП полностью охватывает приконтактную область полупроводника, как это схематично представлено на рисунке 1(b).

АСМ изображение рельефа Au – nGaAs диодов Шоттки с диаметром 15 mkm представлено на рисунке 1с, где четко виден одиночный круглый контакт золота. АСМ изображение распределения контактной разности потенциалов (КРП) между острием иглы кантилевера (зонда) и поверхностью Au – nGaAs диода Шоттки представлено на рисунке 1 d. Видно, что КРП в области металла значительно меньше КРП свободной поверхности nGaAs за пределами контакта. По мере удаления от периметра контакта значение КРП постепенно увеличивается от минимального, равного КРП поверхности металла, до максимального, равного КРП свободной поверхности полупроводника. При этом под действием ДЭП вокруг круглого контакта наблюдается осесимметричная протяженная переходная область (ореол) шириной около 15 mkm с КРП, отличной от КРП свободной поверхности полупроводника. В интервале ширины ореола КРП меняется почти линейно.

В монографии [2] подробно описаны исторические этапы развития физики КМП, физические основы образования ДЭП, энергетические модели формирования действующих потенциальных барьеров, механизмы и аналитические формулы токопрохождения на основе теории термоэлектронной эмиссии в присутствии ДЭП, методики определения эффективных электрофизических и геометрических параметров реальных КМП, сравнительный анализ существующих литературных материалов в интерпретациях с ДЭП процессами.

Исследование явления возникновения ДЭП и электронных процессов связанных с ним в реальных КМП вызвало большой интерес со стороны ученых России. В диссертации [3] детально изложены физические основы явления возникновения ДЭП и обусловленные с ним электрофизические, термоэлектронные и конструктивно-технологические процессы в реальных КМП. Впоследствии всесторонние исследования образования ДЭП в реальных КМП и его особенности в зависимости от природы контактирующих материалов, конфигурации и геометрических размеров контактных структур, типа проводимости и концентрации примесей полупроводника проводились на кафедре Физики Полупроводников Томского Государственного Университета [4]. Представлены результаты непосредственного измерения ДЭП с методикой АСМ на контактах металлов (Au, Ni, Ti, Pd) с полупроводниками (n-GaAs, n± GaAs , p – GaAs), феноменологическая модель распределения потенциала ДЭП вдоль свободной и контактной поверхностей, ряд новейших и важнейших научных результатов по КМП, предсказанных на основе теоретических предпосылок, изложенных в монографии [2].

Явление возникновения ДЭП в реальных КМП позволяет открывать новые научные направления в области физики полупроводников и полупроводниковых приборов, твердого тела, тонких пленок, поверхности, нанофизики, микроэлектроники, фотоэлектроники, биоэлектроники, наноэлектроники и др. Это явление позволяет более глубоко и детально интерпретировать процессы, происходящие в реальных контактных структурах конденсированных сред.

Явление ДЭП является научной основой для повышения качества и расширения функциональных возможностей многочисленных дискретных полупроводниковых приборов, микросхем и наносхем на основе КМП структур.

Данные структуры составляют элементную базу всех видов приборов и установок современной электронной техники. Уже разработан [5] КМП преобразователь световой энергии в электрическую, где ток фотоэдс превышает темновой ток более чем в 1000 раз. Между тем в аналогичном КМП преобразователе без ДЭП ток фотоэдс превышает темновой ток всего около 10 раз. Кроме того, недавно выявлены [6] новые свойства КМП с ДЭП, в которых обратный ток полностью отсутствует при начальных напряжениях и скачкообразно растет при дальнейшем увеличении напряжения.

Литература

1. Мамедов Р. К. Двухбарьерная физическая модель реальных контактов металл – полупроводник, Вестник Бакинского Университета: серия физ.мат. наук, 2001, № 2, с. 84–94
2. Мамедов Р. К. Контакты металл – полупроводник с электрическим полем пятен, Баку: БГУ, 2003, 231 с.
3. Мамедов Р. К. Электрофизические свойства реальных контактов металл – полупроводник, Автореферат докторской диссертации, Баку: БГУ, 2004, 60 с.
4. Новиков В. А. Исследование морфологии и электронных свойств поверхности пленок AIIIBV и контактов металл/AIIIBV методом атомно-силовой микроскопии, Автореферат кандидатской диссертации, Томск.: ТГУ, 2010, 18 с.
5. Торхов Н. А. Влияние фотоэдс на токопрохождение в контактах металл – полупроводник с барьером Шоттки, ФТП, 2011, т.45, .в.7, .с.965 –973
6. Mamedov R.K., Yeganeh M.A. Current Transport and Formation of Energy Structures in Narrow Schottky diodes, J. Microelectronics Reliability, 2011

Источник(и):

1. nanometer.ru