Поверхность полупроводника работает как отдельная электронная система, где обрывные связи кристаллической решётки создают состояния в запрещённой зоне, и эти состояния определяют поведение прибора не меньше, чем его объём. В наноразмерных гетероструктурах отношение поверхности к объёму так велико, что поверхностные состояния выходят на первый план, и их компенсация пассивацией становится условием работы прибора. В статье разобрано, откуда берутся поверхностные состояния, что они делают с каналом и как работает пассивация слоями диэлектриков.
Поверхностные состояния и их происхождение
Обрыв кристаллической решётки на поверхности оставляет валентные связи незаполненными, и каждая обрывная связь создаёт состояние в запрещённой зоне. Плотность состояний у непассивированной поверхности арсенида галлия достигает 1e12-1e13 состояний на квадратный сантиметр на электронвольт, и такой плотности достаточно, чтобы поверхность работала как самостоятельный электронный резервуар. Происхождение состояний не только в обрывных связях, дефекты поверхности, примеси и оксиды добавляют свои состояния, и их суммарная плотность зависит от технологии изготовления. Для кремния картина мягче, термически выращенный оксид даёт плотность состояний порядка 1e10 на квадратный сантиметр на электронвольт, и разница между кремнием и арсенидом галлия объясняет, почему кремниевая технология десятилетиями обходилась без сложной пассивации. В наноструктурах отношение поверхности к объёму растёт обратно пропорционально размеру, и для нанопроволоки радиусом 25 нанометров оно составляет 2/r = 8e7 обратных метров, на пять порядков выше, чем у объёмного кристалла. Практическое следствие прямое, в наноструктуре поверхность доминирует над объёмом, и прибор, работающий в объёмном кристалле, в нанопроволоке работает на поверхности. Происхождение состояний заслуживает отдельного взгляда на технологии. Полировка поверхности снижает плотность обрывных связей, химические обработки замещают оксиды, и каждая технология работает на плотность состояний по-своему. Для арсенида галлия разница между технологиями измеряется порядками, и пассивация работает на ту же величину, что и качество исходной поверхности. Практическая связка, качество исходной поверхности задаёт стартовую плотность, пассивация снижает её на порядки, и их произведение определяет финальную плотность, с которой работает прибор.
Пиннинг уровня Ферми и обеднение канала
Плотные поверхностные состояния захватывают носителей и фиксируют уровень Ферми у поверхности, и это явление, известное как пиннинг, работает на прибор напрямую. У арсенида галлия пиннинг фиксирует уровень Ферми на 0,6-0,7 электронвольта ниже зоны проводимости, и изгиб зон у поверхности достигает этой величины. Изгиб зон создаёт обеднённую область, где носители вытеснены, и её ширина считается по формуле W = √(2ε·φs/(q·N)), где ε проницаемость полупроводника, φs поверхностный потенциал, N концентрация легирования. Для практического случая арсенид галлия с проницаемостью 12,9 и концентрацией легирования 1e17 см^-3 при поверхностном потенциале 0,5 В даёт W = √(2 × 1,142e-12 × 0,5/(1,6e-19 × 1e17)) ≈ 8,5e-6 см, то есть около 85 нанометров. Для нанопроволоки радиусом 50 нанометров обеднённая область с двух сторон перекрывает всё сечение, и проводимость проваливается независимо от легирования. Практическое следствие радикальное, наноструктура с непассивированной поверхностью работает как полностью обеднённая, и её проводимость определяется не легированием, а пассивацией. Пиннинг работает и на пороговые напряжения транзисторов, где фиксированный поверхностный заряд сдвигает порог на десятки и сотни милливольт, и разброс порога между приборами растёт с разбросом поверхностного заряда.
Расчёт обеднённой области у поверхности
Числовой расчёт обеднения показывает, при каких размерах поверхность становится критичной. Ширина обеднённой области растёт с поверхностным потенциалом и падает с легированием, и для практических легирований она измеряется десятками и сотнями нанометров. Для трёх случаев при легировании 1e16 см^-3 и потенциале 0,5 В обеднение достигает W = √(1,142e-12/1,6e-3) ≈ 2,7e-5 см, то есть около 270 нанометров, при 1e17 см^-3 около 85 нанометров, при 1e18 см^-3 около 27 нанометров. Связь с размером структуры прямая, для нанопроволоки радиусом 25 нанометров обеднение при легировании 1e17 перекрывает сечение, при 1e18 остаётся проводящая сердцевина, и выбор легирования работает на компромисс между подвижностью и устойчивостью к поверхности. Дополнительное слагаемое, фиксированный заряд в пассивирующем слое, который отталкивает или притягивает носителей, и его знак работает на обеднение или обогащение. Отрицательный фиксированный заряд в оксиде алюминия работает на накопление дырок и обеднение электронов, и его величина, 1e12-1e13 зарядов на квадратный сантиметр, сдвигает поверхностный потенциал на десятки милливольт. Полный расчёт поверхности складывает состояния, фиксированный заряд и изгиб зон, и их сумма определяет фактическую проводимость структуры.
Пассивация слоями Al2O3 и HfO2
Пассивация работает на состояния прямо, диэлектрический слой, выращенный атомно-слоевым осаждением, заполняет обрывные связи и снимает плотность состояний на порядки. Оксид алюминия Al2O3, осаждённый атомно-слоевым методом, даёт плотность состояний порядка 1e11 на квадратный сантиметр на электронвольт против 1e12-1e13 у непассивированной поверхности, снижение на два порядка, и одновременно вносит отрицательный фиксированный заряд 1e12-1e13 зарядов на квадратный сантиметр. Практическое следствие для арсенида галлия радикальное, пассивация оксидом алюминия снимает пиннинг уровня Ферми, и поверхность перестаёт фиксировать уровень, что для приборов на арсениде открывает работу, недостижимую без пассивации. Оксид гафния HfO2 работает с высокой проницаемостью около 20-25, что даёт большую ёмкость затвора при той же толщине, и его комбинация с оксидом алюминия работает на компромисс между пассивацией и ёмкостью. Практические затворные стопы работают слоями, тонкий оксид алюминия как пассивирующий барьер и оксид гафния как ёмкостный слой, и такой стоп закрывает обе задачи. Серная пассивация раствором сульфида аммония работает химически, сульфидные группы замещают оксиды на поверхности арсенида, и её эффект измеряется снижением плотности состояний на порядок при ограниченной долговременной стабильности. Атомно-слоевое осаждение даёт равномерность слоя с точностью до монослоя, и именно равномерность работает на разброс приборов. Практическая проверка пассивации заслуживает отдельного взгляда. Плотность состояний после пассивации измеряется ёмкостными методами, где вольт-фарадные характеристики поверхности восстанавливают распределение состояний по зоне, и фактическая плотность сравнивается с целевой. Фиксированный заряд измеряется теми же характеристиками, и его величина входит в расчёт пороговых напряжений. Стабильность пассивации проверяется термообработкой, слой, меняющий заряд и плотность состояний при нагреве, считается нестабильным, и рабочие стопы держат параметры после десятков часов термообработки при рабочих температурах. Долговременная стабильность измеряется годами эксплуатации, и практика подтверждает, что оксид алюминия держит заряд и плотность состояний стабильно.
Поверхностная рекомбинация и её скорость
Поверхностные состояния работают и как центры рекомбинации, и скорость поверхностной рекомбинации определяет, сколько носителей теряется на пути к поверхности. У непассивированного арсенида галлия скорость поверхностной рекомбинации достигает 1e6-1e7 сантиметров в секунду, и носители, дошедшие до поверхности, теряются практически полностью. Пассивация снижает скорость до 1e3-1e4 сантиметров в секунду, снижение на три порядка, и носители перестают теряться на поверхности. Практическое значение для приборов прямое, время жизни носителей в наноструктуре ограничено поверхностью, и для нанопроволоки радиусом 50 нанометров время жизни считается как τ ≈ r/(2S), где S скорость рекомбинации. При радиусе 50 нанометров и скорости 1e6 сантиметров в секунду время жизни составляет 5e-6 см/(2 × 1e6) = 2,5e-12 с, а после пассивации до скорости 1e3 растёт до 2,5e-9 с, тысяча раз. Для приборов, работающих на времени жизни, светодиодов, детекторов и фотоприёмников, это изменение работает на квантовый выход напрямую, и пассивация поднимает выход в разы. Разброс скорости между приборами растёт с разбросом пассивации, и равномерность слоя работает на разброс параметров прямо. Связь рекомбинации с выходом приборов заслуживает отдельного взгляда. Для светодиодов квантовый выход ограничен рекомбинацией на поверхности, и пассивация поднимает выход пропорционально времени жизни. Практические нанопроволочные светодиоды после пассивации показывают рост выхода в разы, и разница между пассивированными и непассивированными структурами видна напрямую. Для детекторов работа идёт в обратную сторону, рекомбинация сокращает фототок, и пассивация поднимает чувствительность пропорционально. Для транзисторов рекомбинация работает на шумы, и пассивация снижает шумы пропорционально времени жизни.
Гетероструктуры и их каналы с высокой подвижностью
Гетероструктуры с каналами на арсениде галлия и его соединениях работают на подвижность, и поверхностные состояния работают против неё напрямую. Канал двухмерного электронного газа у гетерограницы достигает подвижности 10000-15000 сантиметров квадратных на вольт-секунду, и его близость к поверхности делает его уязвимым к поверхностным состояниям. Пассивация затворной области слоем оксида алюминия работает на канал напрямую, снимает поверхностные состояния и стабилизирует порог, и практические приборы с пассивированным затвором показывают улучшение подпороговых характеристик и снижение разброса порога. Эффект пассивации на высокочастотные параметры таков, транзистор с подвижностью канала 12000 сантиметров квадратных на вольт-секунду и затвором в сотни нанометров работает на граничные частоты в сотни гигагерц, и деградация подвижности поверхностными состояниями на десятки процентов съедает граничную частоту пропорционально. Пассивация возвращает подвижность, и её эффект конвертируется в частоту напрямую. Отдельная тонкость гетероструктур, границы слоёв внутри структуры работают как дополнительные поверхности, и пассивация внутренних границ работает на подвижность так же, как пассивация внешней поверхности. Терагерцовые детекторы на полевых транзисторах из гетероструктур используют подвижность канала для детектирования, и их чувствительность растёт с пассивацией напрямую. Практическая связка пассивации с технологией гетероструктур заслуживает отдельного взгляда. Пассивирующий слой наносится после формирования канала, и его осаждение не должно деградировать канал, температурный режим осаждения выбирается совместимым с гетероструктурой. Атомно-слоевое осаждение работает при температурах в сотни градусов, и для гетероструктур с деградирующими слоями это ограничение работает на выбор стопа. Проверка канала после осаждения обязательна, подвижность сравнивается до и после, и деградация подвижности в проценты требует пересмотра режима. Практические стопы держат подвижность канала без деградации, и их подбор работает на совместность технологии.
Порядок работы с поверхностными состояниями
Работа с поверхностными состояниями в приборе укладывается в пять шагов:
- оценка плотности состояний и скорости рекомбинации фактической поверхности измерением;
- выбор пассивирующего слоя под материал поверхности и требования прибора;
- осаждение слоя атомно-слоевым методом с контролем равномерности;
- измерение плотности состояний после пассивации и контроль фиксированного заряда;
- проверка параметров прибора и стабильности пассивации при термообработке.
Такой порядок закрывает и физику, и практику, и фактическая плотность состояний подтверждается измерением, а не предположением. Практика наноструктур подтверждает масштаб пассивации, приборы с добросовестной пассивацией показывают проводимость, подвижность и стабильность, недостижимые для непассивированных поверхностей, и каждый порядок снижения плотности состояний конвертируется в параметры прибора напрямую. Компенсация поверхностных состояний остаётся той частью нанотехнологии, где поверхность работает как полноценный элемент прибора, и умение работать с ней, от оценки до пассивации, определяет, какие параметры структуры достигаются на практике.