Теория межфазных границ полупроводник (металл)—диэлектрик

Известно, что электрофизические параметры границ раздела диэлектрик/полупроводник (металл) в значительной степени определяются их структурой. Определенные достижения в установлении оптимальной структуры указанных границ раздела были связаны с разработкой принципа кристаллохимического соответствия, согласно которому кристаллическая решетка диэлектрика ориентируется относительно решетки подложки таким образом, чтобы между расположением атомов в обеих решетках было максимальное сходство и атомы новой решетки претерпевали минимальное смещение.

С использованием этого принципа, в частности, был проведен структурный анализ границ раздела InSb и GaAs с гомоморфными диэлектриками. Однако совпадения плоских групп симметрии и близости параметров сопрягающихся двумерных решеток оказалось недостаточно для формирования границ раздела с оптимальными параметрами.

В частности, наилучшим структурным соответствием с подложкой InSb (100), согласно работе, характеризуется соединение InSbО₄ с ориентацией (001), тогда как экспериментальные данные свидетельствуют о наилучших электрофизических параметрах для границы раздела диэлектрик/ полупроводник состава Іn₂О₃+α—Sb/InSb. Этот факт можно объяснить тем, что граница раздела образуется не в результате механического наложения кристаллических решеток, а за счет встраивания решетки (или решеток — в случае сложных полупроводников) диэлектрика в решетку подложки.

Необходимость учета объемных соотношений между растущей и исходной фазами положена в основу принципа объемно-структурного соответствия фаз. Принцип базируется на предположении о наличии в контакте с подложкой упорядоченной прослойки диэлектрика (как правило, оксида) с искаженной структурой за счет встраивания ее в решетку подложки.

Это искажение описывается набором эмпирических правил: при изменении формы элементарной ячейки диэлектрика ее объем остается постоянным; встраивание происходит слоями, кратными высотам элементарных ячеек подложки и диэлектрика, за счет изменения в определенных пределах (до 10— 15%) длин и углов связей в диэлектрической фазе; сохраняется объем монослоя атомов, приходящихся на единицу площади поверхности в решетке подложки; объем структурного элемента на границе раздела определяется как сумма объемов его отдельных связей. Схематично встраивание кристаллической решетки диэлектрика в кристаллическую решетку подложки показано на рис. 1.

Рис. 1. Схематичное изображение встраивания в кристаллическую решетку кремния (111) кристаллической решетки диоксида кремния (ß-тридимита) в направлении 1010. Штриховыми линиями показана решетка кремния, а сплошными — встроившаяся в нее решетка оксида; в кружках изображены атомы Si, принадлежавшие решетке кремния и выпавшие в междоузлие; стрелками обозначен переход атомов Si из позиций в решетке кремния в позиции решетки оксида

С использованием вышеуказанных правил встраивания можно рассчитать концентрацию атомов с незамкнутыми связями, образующихся из-за несоответствия площадей (Ns^н.с) и объемов (ΔN_v^н.с) элементарных ячеек диэлектрика и подложки.

Так, для границы раздела SiО₂/Si определена концентрация атомов кремния с незамкнутыми связями, образующихся при встраивании различных модификаций SiО₂ в кристаллическую решетку подложки, и показано, что величина N_s^н.с коррелирует с плотность быстрых поверхностных состояний, а величина ΔN_v^н.с – с плотностью медленных состояний на границе раздела.

В зависимости от соотношения концентрации атомов кремния на границе раздела со стороны оксида, рассчитанных с учетом изменения площади элементарной ячейки оксида и с учетом сохранения объема монослоя, на границе раздела SiO₂/Si формируются два различных по природе типа центров (дефектов): вакансионного типа и типа сверхстехиометрических атомов кремния (рис. 2).

Рис. 2. Дефекты, возникающие из-за несоответствия объемов в слое кремния, принадлежащем оксиду, типа сверхстехиометрических атомов (а) и вакансионного типа (б)

Эти дефекты представляют собой сложные дипольные центры, имеющие противоположную направленность. Изменение типа дефекта при каком-либо воздействии на границу раздела, сопровождающемся изменением ее структуры, будет вызывать смену знака встроенного заряда на границе раздела SiО₂/Si.

Принцип объемно-структурного соответствия может использоваться и для расчета концентрации электрически активных дефектов на границе раздела гомоморфный диэлектрик/полупровод- никовое соединение. В этом случае диэлектрик является многофазным, а встраивание решеток составляющих его фаз в решетку подложки происходит слоями таким образом, что сумма высот элементарных ячеек встраиваемых фаз кратна высоте элементарной ячейки полупроводника.

Установлена взаимосвязь между величиной встроенного заряда на границе раздела и величиной свободного объема, образующегося при встраивании. Наличие большего свободного объема способствует более полному залечиванию дипольных дефектов атомами примеси и улучшению электрофизических параметров границы раздела.

Приведенные в табл. 1 данные показывают взаимосвязь расчетных величин свободною объема и экспериментально полученных значений встроенного заряда для границ раздела гомоморфный оксид/полупроводник А3В5. Оптимизация фазового состава границ раздела диэлектрик/полупроводниковое соединение в рамках принципа объемно-структурного соответствия позволила, в частности, существенно снизить плотность поверхностных состояний на границе раздела СdТе/оксид/InSb.

Таб. 1. Зависимость величины встроенного заряда на границе раздела диэлектрик/полупроводник А³В⁵ от величины свободного объема при встраивании диэлектрика в матрицу полупроводника

Принцип объемно-структурного соответствия нашел применение и для анализа взаимосвязи строения и электрофизических параметров границы раздела полупроводниковых соединений с гетероморфными фазами. Так, анализ границы раздела NbN/GaAs показал, что оптимальные электрофизические параметры в этой системе будут достигнуты при наличии прослойки арсенида ниобия, и позволил дать рекомендации по выбору условий формирования контакта Шотки с такой структурой.

С использованием принципа объемно-структурного соответствия был проведен расчет концентрации электрически активных дефектов на границе раздела гомоморфный диэлектрик/металл. Полученные результаты позволили объяснить особенности хода кривой работы выхода электронов (а также изменения коэффициента прилипания адсорбата и перераспределения примеси между поверхностным слоем и объемом металла) изменением типа или концентрации дефектов на начальных стадиях хемосорбции.

Определенные в рамках принципа объемно-структурного соответствия параметры упорядоченных поверхностных структур, образующихся при стыковке двумерной решетки металла и искаженной (в соответствии с правилами встраивания) двумерной решетки диэлектрика на границе раздела хорошо соответствовали экспериментально регистрируемым характеристикам структур, возникающих на начальных этапах хемосорбции кислорода и халькогенов.