Электронные процессы в изотипных полупроводниковых переходах и электрическая характеризация бикристаллических границ или 10 лет параметру η В.А. Стучинский, Г.Н. Камаев Институт физики полупроводников СО РАН, Новосибирск

[1] Стучинский В.А., Камаев Г.Н. ФТП, Статическая и высокочастотная поперечные проводимости изотипных кремниевых ПСК-структур, 34(10), (2000). [2] Stuchinsky V.A., Kamaev G.N. New methods for electrical characterization of unipolar directly bonded Si/Si structures permitting quantitative evaluation of their lateral non-uniformity, Materials Science in Semiconductor Processing, 4, (2002). [3] Стучинский В.А., Камаев Г.Н., Хорошилов К.Ю., Болотов В.В., Стенькин Ю.А., Влияние гамма- облучения на электрические свойства p-Si/p-Si ПСК- структур, в книге: Микросенсорика (материалы, элементная база), под ред. В.В. Болотова, Институт сенсорной микроэлектроники, Омск, 2002, стр [4] Stuchinsky V.A., Interfacial tunneling oxide: impact on electrical characterization of unipolar Si/Si bonded junctions, Electrochemical Society Proceedings, PV Semiconductor Wafer Bonding VII: Science, Technology, and Applications, 2003, pp [5] Stuchinsky V.A., Kamaev G.N. Improved characterization methods for unipolar directly bonded semiconductor junctions, ibid., pp [6] Stuchinsky V.A., Frequency-dependent conductance and capacitance of the unipolar semiconductor homojunction and estimation of interface-states parameters in Si/Si directly bonded structures, ibid., pp [7] Stuchinsky V.A., Kamaev G.N., Bolotov V.V., Stenkin Yu.A., Effect of gamma-irradiation on the electrical properties of unipolar directly bonded p-Si/p-Si junctions, ibid., pp [8] Stuchinsky V.A., Effect of generation/recombination processes and leakage currents through interfacial punctures on electrical characterization of unipolar directly bonded structures, Solid-State Electronics, 48, (2004). [9] Stuchinsky V.A., Kamaev G.N., Khoroshilov K.Yu., Improved characterization methods for unipolar directly bonded semiconductor junctions, Solid-State Electronics, 49, 7-19 (2005). [10] Стучинский В.А., Камаев Г.Н., Быстрая релаксация поперечного тока в p-Si/p-Si ПСК-переходах с туннельной прослойкой окисла, Кремний – 2007, Четвертая Российская конференция с международным участием по физике, материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния и приборных структур на их основе, 3 – 6 июля 2007 г., Государственный технологический университет Московский институт стали и сплавов, Москва, 2007.

Физические объекты: бикристаллическая граница в ростовых бикристаллах межзеренные границы в поликристаллических полупроводниках структуры, полученные методом прямого сращивания полупроводниковых материалов мультикремний

Энергетическая диаграмма симметричного p-Si/p-Si перехода при V=0 (a) и V 0 (b). a b

I II 13 FhFh FeFe V2V2 V1V1 h1h1 h2h2 E 2 Ход квазиуровней Ферми для электронов и дырок в изотипном полупроводниковом переходе.

I II 13 2 J h emis J h gen 2 J e gen 2 J e dif 2 J e dif 1 J e rec 1 J e rec s J h rec 1 J h rec s Схема токов в изотипном полупроводниковом переходе.

Статические ВАХ трех p-Si/p-Si ПСК- структур, полученных методом прямого сращивания при T=850 0 С (2 часа).

V1V1 h/h 1, qV/kT 0

V=0: V>>kT/q: C 1 = a /h 1, C 2 = a /h 2, * eff = * /2, * is the emission time for the interface states with deep levels situated at E=F s. Petermann G., DC and AC characterization of grain boundaries in float zone silicon, Phys. Stat. Sol. (a), 106, (1988). Stuchinsky V.A., Frequency-dependent conductance and capacitance of the unipolar semiconductor homojunction and estimation of interface-states parameters in Si/Si directly bonded structures, Electrochemical Society Proceedings, PV , Semiconductor Wafer Bonding VII: Science, Technology, and Applications, 2003, pp

a b Восстановленные профили легирования N(x) приинтерфейсной области ПСК- структуры, полученной сращиванием пластин кремния р-типа ориентации (100) с номинальным удельным сопротивлением 20 Ом см (N B = см -3 ) при T сращ =1050 o C в течение 2 часов: a) без учета наличия проколов, b) с учетом тока через проколы. 1, 2, и 3 – профили, полученные после первой, второй и седьмой (последней) итерации Метода 2; 4 – профиль диффузионного типа, аппроксимирующий профиль 3; 5 – номинальный уровень легирования исходных пластин; 6 и 7 – индивидуальные концентрационные профили двух диффузантов.

Восстановленные энергетические распределения ИС (E) на границе сращивания ПСК-структуры, полученной сращиванием пластин кремния р-типа ориентации (100) с номинальным удельным сопротивлением 20 Ом см (N B = см -3 ) при T сращ =1050 o C в течение 2 часов: 1 и 2 – распределения, полученные без учета тока через проколы, 3 и 4 – распределения, полученные с учетом утечки через проколы.

Другие факторы, которые могли бы повлиять на величину параметра η: наличие сгустка неосновных носителей заряда на интерфейсе при больших высотах барьера рекомбинационный ток в прямосмещенной части перехода ток неосновных носителей заряда наличие диэлектрической прослойки на границе перехода расфазировка V ~,V 1 ~ и V 2 ~ из-за инерционных процессов в переходе

hoho hoho FoFo qV 1 FoFo qV 2 h1h1 h2h2 F1F1 F2F2 w q V a b VbVb qV o 2 1 Wafer 2 Wafer 1

Вольт-амперная характеристика ПСК-структуры до облучения (сплошная линия 1) и после облучения дозами гамма-квантов Ф=53 и 153 МРад (сплошные линии 2 и 3, соответственно). Пунктирные линии 1-3 показывают долю тока, идентифицированного в рамках рассматриваемого подхода как ток через квазиомические проколы потенциального барьера границы сращивания.

Плотность статического тока (1а, 2а) и рассчитанная из величины параметра η плотность тока, текущего через «проколы» границы (1б, 2б) в p-Si/p-Si ПСК-структуре, полученной сращиванием пластин кремния при T=850 0 С (2 часа). 1 – после сращивания, 2 – после дополнительного прогрева при С в течение 20 мин.

Выводы 1. Предложено проводить анализ электрических свойств изотипных полупроводниковых переходов в терминах параметра η, высокочастотное значение которого в условиях преобладания надбарьерного переноса основных носителей через область перехода должно совпадать с геометрическим отношением h/h Предложена модель тока через проколы, в рамках которой можно понять экспериментально обнаруженное превышение значения η над отношением h/h 1, а также характерный вид зависимости параметра η от напряжения на переходе. Дополнительным фактором, определяющим большую величину η в области малых токов через переход, может быть рекомбинационный ток в прямосмещенной части перехода. 3. Экспериментально показано, что воздействия, результатом которых является поставка дополнительного числа неосновных носителей заряда в область интерфейса, такие как, например, облучение кремниевых ПСК-структур гамма-квантами Co 60, приводят к увеличению параметра η. 4. Вероятно, большие значения параметра η соответствуют повышенной генерационно-рекомбинационной активности в переходе. 5. Для всестороннего анализа всех факторов, определяющих величину η, необходимо подробное компьютерное моделирование электроники перехода.

Спасибо за внимание!

a b ВАХ исследованной ПСК-структуры, измеренные при Т=300 К (1) и 78 К (2). Штриховыми линиями 3 и 4 на полулогарифмическом графике b показана доля тока, протекающего через барьерную часть структуры при Т=300 К и 78 К соответственно.