Разделы сайта

Читаемое

Обновления Sep-2017

Промышленность Ижоры -->  Керамические композиционные материалы 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 [ 28 ] 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123


Рис. 2.25. Распределение абсолютного отрицательного заряда в кулонах Q{R) на краю металлического верхнего контакта в виде плоского диска по его радиусу R для структуры р+-л-л+-типа

этом случае боковые поверхности полупроводниковой структуры не должны быть скошены под острыми углами прямой (aj) и обратной ( 2) фасок, так как поверхность 2-го порядка сама обеспечивает профилирование р+-и-и+-структур под пространственными углами и обеспечивает эквипотенциальное распределение потенциала в пространстве.

Тогда эквипотенциальные линии приходят из пространства от -°о до лоо и никогда не замыкаются вокруг электродов. Это означает, что электрическое поле напряженностью на боковой поверхности не будет иметь максимума (нет стушений линий поля, см. рис. 2.24), а будет распределено равномерно, причем так, что на боковой поверхности кристалла оно всегда меньше, чем в объеме р-и-перехода, т. е. Е < Ер и краевой эффект будет существенно ослаблен.

Конструктивно-технологические особенности плоских планарно-эпитаксиальных структур с барьером Шоттки

Потенциальный барьер, образующийся в приконтактном слое полупроводника, граничащий с металлом, исследован немецким ученым В. Шоттки [54] еще в 1939 г. и назван его именем. Дальнейшие исследования [55] показали, что для возникновения барьера Шоттки в структуре металл-полупроводник необходимо, чтобы работа выхода электронов из металла и полупроводника Ф была больше Ф > Ф, металл заряжается отрицательно, а полупроводник - положительно. Возникающая при установлении равновесия контактная разность потенциалов между металлом и полупроводником равна:

Фк = (Фм - пУЯ,

где q - элементарный заряд электрона. 166

Эта разность потенциалов создается в приповерхностном слое полупроводника, в результате возникает барьер Шоттки высотой Ф-Ф = Фо. В реальных структурах металл-полупроводник это соотношение не всегда строго выполняется, так как на поверхности полупроводника в тонкой диэлектрической прослойке, возникающей из-за технологических факторов между металлом и полупроводником, образуются локальные поверхностные состояния. Электроны, находящиеся на них, экранируют влияние металла так, что внутреннее электрическое поле в полупроводнике определяется этими поверхностными состояниями.

Как правило, наибольшей высотой Ф обладают барьеры Шоттки нанесением на полупроводник и-типа (GaAs, Si) пленки золота.

Известно, что барьер Шоттки обладает выпрямительными свойствами при больших токах, обусловленньгх целиком основными носителями заряда, а условие электронейтральности по-прежнему определяется уравнением Qg+ Q+ = О-

В частности, для контакта металл-полупроводник и-типа оно выглядит следующим образом: >

(2.4)

где = qNV, - объем полупроводника и-типа, м; - электрический заряд поверхностных состояний на границе раздела металд-по-лупроводник, Кл; - отрицательный заряд на поверхности металла, который сильно влияет на краевой эффект при использовании барьеров Шоттки для создания выпрямительных диодов на токи /впр ЮО А и обратные напряжения f/gp > 500 В, Кл.

Условие (2.4) отличается от условия электронейтральности для одного кристалла без поверхностных эффектов, так как в кристалле полная сумма электрических зарядов подвижньгх носителей и примесных ионов ЛАд, Л/д должна быть равна нулю. Если на единицу объема 1 см или 1 м приходится ЛАд донорных атомов, из которых не отдали свои электроны (следовательно, нейтральны), то оставшиеся NN доноров (на единицу объема) будут ионизированы и, следовательно, будут заряжены.

Аналогично, на единицу объема 1 см, 1 м приходится N~Ny отрицательно заряженных ионизированных акцепторов, где Ny ~ число акцепторных атомов, не захвативших электрона. Тогда условие электронейтральности можно записать так:

(2.5) 167




Если же все доноры и акцепторы ионизованы, т. е. N = N = О, то

уравнение примет вид:

(2.6)

С учетом закона действующих масс п- р = nf, уравнение (2.6) представляется в виде:

п = 1/2(д - ЛАд) + \/4{N,-Nf+nf, 1/мЗ; (2.7)

р = -1/2(ЛАд - Лд) + \/4iN-Nj,f+nf, 1/мЗ.

(2.8)

Для сильнолегированных кристаллов и-типа, когда (N - Nj я.,

= (ЛАд - ЛАд); р = nf/iN - ЛАд).

Соотношения (2.7, 2.8) позволяют оценивать флуктуации атомов примесей в полупроводнике и-типа, выращенном тем или другим технологическим способом. Например, вытягивание из расплава или процесс диффузии обеспечивают флуктуации атомов примесей на требуемом уровне при (ЛАд - ЛАд). В этом случае флуктуации примеси не приводят к появлению полей, стремящихся их подавить, как было бы при (ЛАд - ЛАд) и., где и,- - собственная концентрация атомов данного полупроводника. Другими словами, флуктуации примесей в объеме полупроводника й-типа в приборах с барьером Шоттки не могут быть физической причиной появления краевого поля напряженности Е, ответственного за провоцирование поверхностного пробоя, так как и в барьере Шоттки, и в /?-и-переходе краевое поле Е образуется поверхностными зарядами Q, Q.

Точно так же на появление краевого поля не влияют глубокие уровни (ловущки), разброс контактной разности потенциалов, падение напряжения на самом теле металлического контакта [55].

Известно, что в структуре полупроводника с простейшим барьером Шоттки плоской структуры (рис. 2.26, а) наблюдается мягкий пробой , он обусловлен наличием сильного электрического поля напряженностью вблизи краев области объемного заряда шириной W, т.е. проявлением так называемого краевого эффекта , приводящего реальные приборы к нестабильной во времени флуктуации основньгх параметров ri, ф, 4 которые в свою очередь вызывают интенсификацию рекомбинационных (генерационньгх) процессов в местах вьгхода области объемного заряда

на поверхность полупроводникового кристалла (в нашем случае кремния). Этот физический процесс приводит к резкому увеличению обратных токов утечки при повышении обратного напряжения (при котором происходит пробой), величина которого U меньше напряжения пробоя f/jjpo6 , обусловленного объемным распределением примесей.

Для ослабления краевого эффекта , например в кремниевом кристалле с плоским элементарным барьером Шоттки [56] (см. рис. 2.26, б).

Е в объеме i Au Е




SiO,


SiO,

Рис. 2.26. Разновидности полупроводниковых структур диодов с барьером Шоттки плоской формы на Si л-типа: а - с плоским элементарным барьером; 6 - с расширенным металлическим контактом; в - с диффузионным кольцом /7-типа; г - с трехслойным металлическим контактом; д ~ с электродом в виде эллипсоида вращения



используют способ формирования расширенного металлического контакта из золота или введения в структуру кристалла диффузионного кольца р-тяпа под краем металлического контакта (см. рис. 2.26, в). Наличие материала р-типа исключает сильные поля на краю и образует параллельно барьеру Шоттки обратно смещенный /?-и-переход, который предназначен для создания выпрямительного силового диода и будет пробиваться при напряжениях, определяемых концентрацией донорных атомов примесей Л.

Такая структура барьера Шоттки с кремнием и-типа (см. рис. 2.26, в) позволяет получить силовые диоды Шоттки в виде экспериментальных образцов с удельным сопротивлением р = 25 Ом см, несколькими охранными кольцами и напряжением лавинного пробоя UpyQ > 1000 В.

Дальнейшие конструктивно-технологические разработки привели к созданию планарно-эпитаксиального кремниевого барьера Шоттки [55] с трехслойным металлическим контактом, например Au~Ti-Pt (рис. 2.26, г), площадью < 1 см, на прямые токи > 10 А при обратньгх напряжениях > 50 В, с обратными токами порядка 20 10 А. Была разработана методика расчета барьера Шоттки с металлическим электродом в форме эллипсоида вращения или эллиптического цилиндра (рис. 2.26, д) утопленного вглубь полупроводника на глубину А = 0,05 мкм, в предельном же случае этот электрод сводится к металлическому диску либо металлической полоске, расположенным по поверхности полупроводника, т.е. это говорит о плоской природе контакта металл-полупроводник и не объясняет физической природы возникновения краевого эффекта и не содержит реальных структур, лишенных краевого эффекта. Однако авторы [55] верно отметили факт, что на краях металлического листа контакта металл-полупроводник и-типа (в виде плоского диска или плоского прямоугольного листа) формируется поверхностная плотность заряда а очень большой величины, создающая краевое электрическое поле напряженности также большой величины, в пределе стремящейся к бесконечности {Е -> >).

Естественно, это приводит к существенному снижению величины потенциального барьера Шоттки для электронов вблизи металлических краев и, как следствие, к увеличению электронного тока в обратном направлении, дополнительно к электронному току, обусловленному термоэлектронной эмиссией Ричардсона-Дэшмана.

Результаты анализа конструкций существующих полупроводниковых приборов с плоскими контактами и монокристаллами полупроводников в виде плоских гшастин показывают, что из-за их геометрической фор-

z = x+jy = kchE±Jil = kch т

. (E sm

(2.9)

a функция преобразования на плоскости W задана в форме:

W=mAchiz/k), (2.10)

где т, к, А - некоторые числовые коэффициенты.

Очертания электродов в плоскости z могут быть самыми разнообразными, но достаточно точно должны повторять форму эквипотенциальной поверхности (эквипотенциальной линии), поэтому уравнение (2.9) при и = const приводится к уравнению гиперболы вида:

к cos (U/m) ksiniU/m) с полуосями а = )tcos(f m); с = rsm{U/m).

= 1,

(2.11)

мы происходит возникновение явлений и процессов, которые отрицательно влияют на характеристики прибора.

Краевой эффект повышает величину тока утечки и снижает значение напряжения пробоя. Выполнение фасок и охранных колец изменяет площадь плоских контактов и приводит к шунтированию рабочего тока.

Формальное увеличение площади пластин полупроводников до 150...200 мм в диаметре вызывает большие трудности при получении монокристаллов с равномерным распределением удельного сопротивления по радиусу и малыми остаточными термомеханическими напряжениями. При повышении мощности прибора возникают сложности с отводом тепла.

Конструктивно-технологические способы подавления краевого эффекта в полупроводниковых структурах с барьером Шоттки

Конструктивно-технологическая эволюция контакта металл-полупроводник -типа с барьером Шоттки от плоской модели с краевым эффектом до цилиндрической с подавленным краевым эффектом (рис. 2.27) должна осуществляться с помощью теоретических конформных преобразований Кристоффеля-Шварца [53].

Например, при задании на плоскости z потенциалов U и силовых линий электрического поля Е в форме комплексного числа:



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 [ 28 ] 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123

© 2003 - 2017 Prom Izhora
При копировании текстов приветствуется обратная ссылка