Классификация зарядов в диэлектрике

Заряд в диэлектрике может быть обусловлен захватом носителей ловушками в диэлектрике и на границе Д-П, а также присутствием в нем ионов щелочных металлов примеси (Na+, K+) и протонов (H+).

Фиксированный заряд (плотность фиксированного зарядаQf=eNf, [Qf]=Кл·см-2, [Nf]=см-2) – это заряд, величина которого постоянна при нормальных условиях, то есть при не слишком высокой температуре (T≤300 K) и не очень большой напряженности электрического поля (E<5·105 В/см). Этот заряд связывают с наличием глубоких ловушек в диэлектрике, а также центров, расположенных в объеме диэлектрика. При изменении φs и уровня Ферми в полупроводнике центры не способны перезаряжаться. В структуре MeSiO2Si фиксированный заряд Qf  расположен в SiO2 на расстоянии (5 – 15) нм от границы Д-П. Природа центров связана со структурными дефектами переходного слоя SiSiO2 и примесями.

Подвижный заряд (плотность подвижного зарядаQm=eNm, [Qm]=Кл·см-2, [Nm]=см-2) – это заряд, который может перемещаться в диэлектрике под воздействием электрического поля или вследствие диффузии при повышенной температуре (Т>500 K). Подвижный заряд влияет на надежность и стабильность элементов кремниевых БИС. Подвижными зарядами в двуокиси кремния могут быть положительно заряженные ионы щелочных металлов (в основном, Na+), протоны, кислородные вакансии. В системе SiSiO2 заряд Qm, как правило, расположен на границе SiO2 – металл). Внутренняя граница SiO2 является блокирующей. При повышенной температуре и положительном напряжении на управляющем электроде заряд Qm перемещается к границе Д-П, что приводит к сдвигу CV характеристики. Это явление лежит в основе термополевых обработок (ТПО) МДП-структур. влияющего на надежность и стабильность МДП-приборов,

Энергия активации дрейфа ионов составляет (0.7 – 2.0) эВ. Ее основная часть расходуется на «освобождение» подвижных ионов из потенциальной ямы на внешней поверхности диэлектрика.

Заряд на поверхностных состояниях (дифференциальная плотность заряда на поверхностных состояниях qss=enss, [Qss]=Кл·см-2·эВ-1, [Nss]=см-2·эВ-1)- заряд, величина которого изменяется при изменении положения уровня Ферми и изменении φs. Плотность заряда ПС определяется суммой зарядов на донорных и акцепторных ПС. ПС способны обмениваться зарядом с ОПЗ за счет туннелирования в узкой (не более (2 – 3) нм) области.

Существование ПС на границе раздела двух сред связывают с наличием разорванных связей на поверхности. Это уровни Тамма. Энергетический спектр разрешенных состояний на поверхности, где происходит обрыв периодического потенциала, включает состояния, соответствующие запрещенной зоне полупроводника. Волновые функции таких состояний экспоненциально затухают внутри кристалла. Это поверхностные состояния Шокли.

Реальные ПС не являются ни чисто таммовскими, ни чисто шоклиевскими. Плотность ПС на границе SiSiO2 (~1010 – 1012 см–2) зависит от ориентации поверхности. На плоскости (111) в Si плотность ПС в 2 – 3 раза выше, чем на плоскости (100). Обычно вблизи краев запрещенной зоны плотность ПС максимальна и уменьшается к ее середине. ПС в нижней половине запрещенной зоны — донорного типа, в верхней — акцепторного. Плотность ПС после отжига в водороде резко уменьшается вследствие насыщения разорванных связей атомами водорода.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector