Влияние поверхности на работу полупроводниковых приборов

Состояние поверхности полупроводника и граница его раздела с другими веществами чрезвычайно важны как для самого процесса изготовления полупроводниковых приборов, так и для его последующей работы с необходимыми характеристиками.

Отрицательное влияние поверхностных явлений на работу диодов, транзисторов и фотоэлектрических приборов связано с существованием поверхностной рекомбинации. Она вызывает снижение коэффициента полезного действия солнечных фотоэлементов и других фотопреобразователей, уменьшение коэффициента усиления транзисторов, увеличение обратных токов р–п переходов. Наличие поверхностной рекомбинации приводит также к снижению чувствительности полупроводниковых фотопреобразователей в коротковолновой области спектра, когда свет поглощается в очень тонком приповерхностном слое полупроводника. Выше уже говорилось о возможности управления скоростью поверхностной рекомбинации, Использование этой возможности часто позволяет устранить (полностью или частично) перечисленные отрицательные факторы.

Надежность работы полупроводниковых приборов зависит и от величины и стабильности поверхностного потенциала полупроводника, поскольку он определяет концентрацию носителей заряда в приповерхностной области. В свою очередь, поверхностный потенциал определяется (при отсутствии внешнего электрического смещения) зарядом на поверхностных электронных состояниях (состояниях границы раздела) и зарядом, встроенным или инжектированным в диэлектрик системы «диэлектрик—полупроводник». Таким образом, необходимо как знать параметры этих электронных состояний и заряды в диэлектриках, так и уметь управлять ими и стабилизировать их свойства в случае воздействий температур, полей и излучений. Это очень сложная задача, еще до конца не решенная даже для «классической» системы Si - Si02.

Если поверхность полупроводникового прибора не защитить от посторонних примесей, всегда имеющихся в атмосфере или в материале корпуса, то атомы таких примесей будут захватываться на уровни поверхностных состояний, изменяя их заряд и другие характеристики. Это приведет к дрейфу поверхностного потенциала, появлению его пленарной неоднородности и в конечном итоге к дрейфу параметров прибора и его возможному выходу из строя. Поэтому в технологии микроэлектроники всегда применяют защиту (пассивацию) поверхности полупроводниковых приборов и интегральных схем. Наилучшим для этой цели является слой Si02, который иногда дополнительно легируют примесями бора, фосфора или свинца.

Однако даже защищенная диэлектрическим слоем поверхность не всегда остается стабильной. Дело в том, что в диэлектрике, особенно в области его границы раздела с полупроводником, могут быть расположены примесные включения и их комплексы с различными структурными дефектами, часто имеющими электрический заряд. Поэтому под действием электрических полей, всегда существующих в работающем приборе, возможно медленное перемещение этих примесей и дефектно-примесных комплексов, как в глубь диэлектрика, так и в область границы раздела с полупроводником. Результат известен: изменение степени и характера заполнения электронных состояний границы раздела и электрических полей в этой области, дрейф поверхностного Потенциала и связанных с ним характеристик, возникновение локальных утечек и пробоя диэлектрика.

Поверхностные состояния влияют также на шумы полупроводниковых приборов, особенно в низкочастотной области. Это и понятно: ведь носители заряда, захватываясь на поверхностные состояния и высвобождаясь с них, всегда будут вызывать некоторые флуктуации токов и зарядов в приборе.

Еще одним интересным аспектом влияния поверхности на работу полупроводниковых приборов является поверхностное прилипание (захват) носителей на поверхностные электронные состояния, обнаруженное в Институте полупроводников АН УССР еще в начале 70-х годов. Прилипание будет происходить, если сечения захвата электрона и дырки существенно отличаются (в противном случае будет наблюдаться поверхностная рекомбинация). Центры прилипания обычно расположены в запрещенной зоне полупроводника вблизи краев его разрешенных энергетических зон и поэтому называются мелкими центрами. Показано, что их природа для кремния тесно связана со структурными дефектами при* поверхностной области полупроводника или границы между диэлектриком и полупроводников. Такие дефекты вводятся при механической обработке (резке, шлифовке и т. п.) кремниевых пластин, а также при окислении и других операциях под воздействием возникающих полей механических напряжений (связанных, например, с различными коэффициентами термического расширения для Si и Si02).

Центры прилипания могут существенно изменять многие характеристики приборов: их быстродействие, величину фоточувствительности, термостабильность, коэффициент усиления. Выше уже было рассмотрено их влияние на фотопроводимость при обогащающих при» поверхностных изгибах зон. Здесь эффект прилипания играет положительную роль. Благодаря его влиянию можно также повысить коэффициент передачи фототранзисторов, создать элементы запоминания информации. Однако все это сопровождается падением быстродействия приборов и повышением чувствительности их характеристик к температуре, освещению и другим видам излучений. Поэтому в каждом конкретном случае приходится выбирать: использовать эффект поверхностного прилипания или постараться от него избавиться.