2.6.4. Приборы со структурой металл—диэлектрик—полупроводник

В большинстве приборов с барьером Шоттки между слоями металла и полупроводника содержится по меньшей мере несколько атомных слоев какого-либо оксида, случайно образовавшегося до создания прибора или в процессе его изготовления. Установлено, что в результате преднамеренного создания (при тщательном контроле условий роста) диэлектрического слоя (обычно оксидного) на границе раздела металл—полупроводник значительно повышается . Поэтому изучение МДП-структур представляет особый интерес.

Наличие диэлектрического слоя приводит к нескольким эффектам: во-первых, между металлом и полупроводником образуется пассивный диэлектрический зазор, снижающий во-вторых, перенос носителей заряда может быть ограничен процессом их туннелирования через слой диэлектрика, вследствие чего определенному напряжению смещения соответствует меньший ток; в-третьих, поскольку часть приложенного напряжения падает в слое диэлектрика, высота барьера изменяется, что приводит к получению значений диодного коэффициента А больше

единицы; в-четвертых, под влиянием заряда, содержащегося внутри слоя диэлектрика или на границе раздела диэлектрик—полупроводник эффективная высота барьера Ф, может возрастать или уменьшаться в зависимости от знака этого заряда.

В структурах с барьером Шоттки, у которых диэлектрический слой отсутствует, темновой диодный ток обусловлен в основном термоэмиссией основных носителей заряда, проходящих над барьером. Наблюдаются также и более слабые эффекты, связанные с туннелированием основных носителей через верхнюю часть барьера и (или) их рекомбинацией в обедненном слое, которыми в большинстве солнечных элементов можно пренебречь. Кроме того, имеется поток неосновных носителей заряда, инжектируемых из металла в полупроводник, однако он существенно меньше потока основных носителей.

Выражение для в приборе с обычным барьером Шоттки, в котором протекание тока обусловлено термоэлектронной эмиссией, имеет вид

где А — диодный коэффициент (в наиболее простом случае ); Ф, — высота барьера; А — модифицированная постоянная Ричардсона с учетом соответствующей эффективной массы носителей заряда.

В диодах с МДП-структурой плотность темнового тока JD представляет собой сумму четырех составляющих связанных соответственно с термоэлектронной эмиссией, рекомбинационно-генерационным процессом в обедненном слое, инжекцией и диффузией носителей заряда в квазинейтральной области и их рекомбинацией на границе раздела диэлектрик—полупроводник (рис. 2.40). Благодаря дополнительному промежуточному диэлектрическому слою плотность тока основных носителей заряда может уменьшиться до значения, сравнимого с составляющими для неосновных носителей, что приведет к значительному повышению

Поскольку фотогенерированные неосновные носители заряда также должны туннелировать через этот слой, высокий коэффициент собирания может быть получен при толщине слоя, не превышающей 2—3 нм. Выражение (2.76) справедливо для приборов с МДП-структурой, в которых протекание тока связано с основными носителями заряда, при внесении соответствующих поправок в значения и А, а также при условии, что слой диэлектрика имеет достаточно малую толщину, при которой возможно туннелирование носителей.

Из уравнения (2.76) следует, что значение можно повысить, увеличивая Ф, или А за счет эффектов, создаваемых диэлектрическим слоем.

Предложен ряд теоретических моделей приборов с МДП-структурой (рис. 2.41), особенности которых кратко здесь перечислены.

1. Зависимости А рассчитаны с помощью модели [Card, Rhoderick, 1971 ] от толщины 5 слоя диэлектрика, ширины обедненного слоя и плотности заряда на поверхностных состояниях. Согласно этой модели, при нм и наличии равновесия между поверхностными состояниями и полупроводником А возрастает при увеличении При

Рис. 2.40. Схема направлений различных составляющих тока в МДП-структуре на основе при прямом смещении

Рис. 2.41. Энергетическая зонная диаграмма освещенного солнечного элемента с МДП-структурой: приложенное напряжение распределено между промежуточным диэлектрическим слоем и полупроводником - падение напряжения на диэлектрике при отсутствии смещения; Q - плотность полного заряда на поверхности металла; - объемная плотность заряда, захваченного слоем диэлектрика; - потенциал, характеризующий распределение состояний на границе раздела

определенных значениях параметров изменение А может сопровождаться небольшими вариациями (и, следовательно, Это предоставляет возможность повысить путем выбора соответствующих значений 6 и . Эта модель не противоречит экспериментальным данным, полученным авторами.

2. Согласно [Pulfrey, 1976], увеличивается при накоплении заряда в слое диэлектрика.

3. Возрастание диодного коэффициента А является следствием увеличения толщины слоя диэлектрика [Lillington, Townsend, 1976].

4. При введении в (2.76) дополнительного члена, содержащего коэффициент прозрачности барьера для туннелирующих носителей заряда, возможно [Card, Yang, 1976] повышение эа счет увеличения толщины оксидного слоя примерно до 3 нм, свыше которой процесс туннелирования становится механизмом, ограничивающим фототок.

5. Показано теоретически [Fonash, 1975 а, 1976], что наличие неподвижного заряда в слое диэлектрика вызывает уменьшение эффективной работы выхода металла и повышение значения А.

Многочисленные теоретические исследования посвящены МДП-структурам [Landsberg, Klimpke, 1977, 1978; McQuat, Pulfrey, 1976; Каг, 1977; Viktorovitch, Kamarinos, 1977; Green e. a., 1974], а также опубликован обзор [Pulfrey, 1978] результатов, связанных с теорией и практикой создания солнечных элементов с МДП-структурой. Выполнено интересное сравнение [Ghosh е.а., 1978] теоретических моделей солнечных элементов с гетеропереходом, барьером Шоттки и МДП-структурой на основе .

Высказано предположение [Fonash, 1975а,b, 1976, 1977; Fonash е. а., 1978] о существовании нескольких основных механизмов, обеспечивающих повышение Соответствующая энергетическая зонная диаграмма МДП-структуры изображена на рис. 2.41. При освещении структуры генерируется напряжение V, одна часть которого приходится на полупроводник, а другая - на слой диэлектрика. Если предположить, что единственное отличие данной структуры от идеального перехода металл-полупроводник состоит в наличии на границе раздела диэлектрического слоя, то высота барьера а плотность полного тока в освещенном приборе записывается в виде

Первая составляющая характеризует термо эмиссионный механизм переноса основных носителей заряда с учетом вероятности их туннелирования через слой диэлектрика. Вторая, определяемая током дырок (неосновных носителей заряда) в идеальной структуре, может стать преобладающей при уменьшении первого слагаемого (например, вследствие снижения ). Множитель позволяет учесть туннелирование дырок через диэлектрический слой.

Третья составляющая полного тока представляет собой плотность фототока, которая не зависит от напряжения смещения и свойств границы раздела (за исключением свойств потенциального барьера, влияющего на туннелирование носителей). Более тонкие процессы исключены из рассмотрения для упрощенной модели.

Доля приложенного напряжения падающая в слое на границе раздела, зависит от свойств этого слоя, заряда находящегося в диэлектрическом слое, поверхностного заряда и характеристик диполей, а также от электрических свойств полупроводника. Анализ электростатических явлений приводит к получению довольно сложного выражения для . Если падение напряжения на полупроводнике представить как , где , то (2.77) примет вид

Это уравнение показывает (в рамках принятых допущений), изменения каких параметров вызывают увеличение Это, во-первых, высота барьера — наиболее важный параметр, определяющий плотность тока насыщения основных носителей заряда; во-вторых, диодный коэффициент А, который в данной модели характеризует отношение (названное Фонашом распределением поля); в-третьих, зависящие от коэффициентов прозрачности барьера для туннелирующих носителей. Все эти параметры наиболее существенно влияют на термо-эмиссионную составляющую диодного тока. Рассмотрим их более подробно.

Увеличение эффективной высоты барьера . В силу наличия поверхностных состояний уровень Ферми занимает, как правило, строго фиксированное положение на поверхности Однако полупроводник находится теперь в контакте с диэлектриком. Создавая на границе раздела дополнительный слой соответствующего оксида, можно обеспечить условия для насыщения свободных связей на поверхности полупроводника и тем самым уменьшить плотность состояний на границе раздела. При таком способе пассивации поверхности возможно ослабление фиксации уровня Ферми и появление более ярко выраженной зависимости от работы выхода металла.

Кроме того, поскольку диэлектрический слой, как полагают, сам обладает электрической активностью, содержащийся в нем заряд может изменить эффективную высоту барьера. Неподвижный заряд внутри слоя вызывает изменение пропорциональное (что справедливо для ограниченного интервала значений ), поэтому для полупроводника проводимости -типа со слоем оксида, содержащим отрицательный заряд, значение Ф должно увеличиться. В этом случае диодный коэффициент А остается практически равным единице, а зависит экспоненциально от количества заряда, захваченного ловушками (при условии, что напряжение смещения практически не влияет на его плотность).

При достаточно большом статичном заряде на границе раздела полупроводник-диэлектрик может образоваться инверсионный слой, причем при использовании подложки -типа его формированию способствует наличие металла с низкой работой выхода [Salter, Thomas, 1976; Shewchum е. а., 1974]. Этот эффект играет положительную роль в приборах с МДП-структурой на основе которые при однократной солнечной освещенности обладают . В [Godfrey, Green, 1979].

Уменьшение туннельного тока основных носителей заряда. Вероятность туннелирования неосновных носителей заряда должна приближаться к единице, однако нет необходимости в том, чтобы вероятности туннелирования основных и неосновных носителей были равны между собой. При

увеличении толщины слоя диэлектрика (например, до 10 нм) ток основных носителей может уменьшаться на несколько порядков. В этом случае для сохранения высоких значений фототока потребуется создание в диэлектрическом слое соответствующего распределения ловушек с определенным энергетическим уровнем, при участии которых будет происходить туннелирование неосновных носителей заряда [Kipperman е. а., 1978].

Опубликованы данные [Rhoderick, 1974] о влиянии толщины диэлектрического слоя на вольт-амперные характеристики реальных приборов с МДП-структурой.

Благоприятные изменения в соотношении между энергиями туннелирующих электронов и дырок также могут быть получены при правильном выборе энергии сродства к электрону для диэлектрического слоя. При создании базы -типа потенциальный барьер, через который туннелируют дырки, можно понизить значительно в большей степени, чем барьер для электронов [Childs е. а., 1976]. При достаточно точном управлении процессом можно обеспечить более низкий предельный прямой ток, который будет представлять собой диффузионный ток неосновных носителей заряда. Этот механизм обеспечивает уменьшение предела насыщения прямого тока при сохранении диодного коэффициента равным единице.

Распределение поля. Часть полного напряжения V, приложенного к прибору, приходится на слой диэлектрика. Отношение и, следовательно, диодный коэффициент А зависят от свойств диэлектрического слоя, причем в наибольшей степени от параметров энергетических состояний на границе раздела диэлектрик—полупроводник. Данный эффект, названный Фонашом распределением поля [Fonash, 1975 b, 1976], обеспечивает возможность получения высоких значений превосходящих даже диффузионный потенциал поскольку часть генерируется в слое диэлектрика. Отношение зависит от конкретного распределения поверхностных состояний и сечений захвата для электронов и дырок (которое должно быть большим в базовом материале -типа для того, чтобы процесс захвата был эффективным). Эффект распределения поля оказывает слабое воздействие на ток насыщения, однако приводит к тому, что коэффициент А зависит от напряжения смещения и его значения превышают единицу. Рассмотрены несколько возможных видов распределения энергетических уровней на границе раздела и их влияние на электрические характеристики приборов с МДП-структурой [Fonash е. а., 1978; Fonash, 1975 a,b, 1976; Childs е. а., 1976, 1978]. Повышение является следствием увеличения коэффициента А.

Результаты теоретического рассмотрения влияния указанных трех факторов на сопоставлены с экспериментальными данными [Fonash е. а., 1978], полученными в ходе измерений прямых и обратных вольт-фарадных, темновых и световых вольт-амперных характеристик и фото-эмиссионных спектров, в инфракрасной области. Авторами показано, что эффекты повышения и распределения поля позволяют интерпретировать значительную часть результатов эксперимента.

Другая модель [Shewchun е. а., 1974], в которой особая роль отводится процессу туннелирования носителей заряда через слой диэлектрика,

позволяет описать экспериментальные характеристики приборов с МДП-структурой на основе .

Мы остановимся кратко на вопросе электрохимической стабильности диэлектрического слоя и его границы раздела с полупроводником. Эффекты старения в некоторых приборах, приводящие к изменению со временем темновых вольт-амперных характеристик и фоточувствительности, вероятно, вызваны диффузией кислорода, проникающего через металл в спой диэлектрика.

Изучение эффектов старения в диодах с барьером Шоттки на основе [Ponpon, Siffert, 1978] показало, что электрические свойства этих приборов непосредственно связаны с диффузией кислорода через металл.

Перед выдержкой на воздухе эти приборы не обладают выпрямляющими свойствами; в процессе старения их коэффициент выпрямления возрастает и достигает обычных значений, наблюдавшихся и другими исследователями. Степень снижения зависит от продолжительности выдержки на воздухе, в то время как диодный коэффициент не меняется. Эти эффекты объясняют увеличением что также согласуется с результатами измерений и фотоэмиссионных спектров в инфракрасной области.

Предполагают [Ponpon, Siffert, 1978], что низкие начальные значения обусловлены наличием неподвижного положительного заряда в слое диэлектрика. Вследствие диффузии кислорода через металл этот заряд нейтрализуется и принимает свое обычное значение. В металлах, для которых характерна малая теплота образования оксида (таких, как ), происходит быстрая диффузия кислорода, и эффект старения выражен наиболее ярко. Напротив, металлы с большой теплотой образования оксида (например, ) препятствуют диффузии к слою диэлектрика, и поэтому наблюдаемый эффект старения незначителен.

Теми же авторами [Ponpon, Siffert, 1977] исследованы структуры с барьерами Шоттки на основе в сочетании с различными металлами. В отличие от структур на основе при использовании барьер образуется непосредственно после нанесения металла. Тем не менее при выдержке диода на воздухе наблюдается увеличение Изучение влияния продолжительности выдержки в обычных условиях на прямые вольт-амперные характеристики показало, что их изменение вызвано в основном колебаниями коэффициента А, тогда как значения остаются практически постоянными. Полученные результаты свидетельствуют о том, что изменение формы поля под влиянием состояний на границе раздела действительно является фактором, обусловливающим улучшение характеристик барьера .