用电容和电导测量法研究SiNx／nc—Si／SiNx双势垒结构界面特性

化 ，则 界 面陷 阱 电容 Ｃ ｉ ＝０．故 高频 Ｃ Ｖ特性 不包 括 Ｃ — ｉ 的成 份 ．
Ｃ
Ｃ
１ ＋ 蕊 １ ， Ｌ Ｃｏ 。Ｃｓ＋ Ｃ。 Ｆ ｔ’
（） ３
（） ４
ＨＦ
： Ｃｏ＋ 。Ｃｓ ， ’
利用低频 和高频 ｃ Ｖ特性的差异可测量界面态陷阱的密度．这种方法就是最常用来确定界面态 —
摘 要 ：利用 等离 子体增强化学气相沉 积（Ｅ Ｖ ） Ｐ Ｃ Ｄ 技术， 积 ａ ＳＮ／ｅＳ／— ｉ 淀 — ｉ — ｉ ＳＮ不对 称双势垒存储结构 ｎ ａ
．
通 过电容和 电导测试 研究结构的 界面态特性 ．实验结果表 明 ，采 用 Ｐ Ｃ Ｄ方法制备 的不对称存储结构 的 ＥＶ 关键 词 ：界面态 ；不对称双势垒结构 ；电容测量法 ；电导测 量法
Ｖ 一 ｃ ＇ ２ （ ＋， △
ｃ ７
（ ８ ）
其 中 ， Ｄｉ 为界 面 态 密度 ， Ｃ 为 绝缘 层 的单位 面 积 电 容 ， Ｃ 为 低频 （ 静态 ）下 的 ｃ Ｖ曲线 中的 。 准 —
电容值 ， Ｃ 为高频下 Ｃ Ｖ曲线 的电容值．为 了获得界面态密度 的分布情况 ，还必须知道表面势和 —
态 等 因素 的影 响 ．
定 电荷 的存在 改 变 了半 导 体 的表 面 电势 ，会 引起 Ｃ Ｖ特 性 线 的 变化 ． 例 如带 —
正 电的固定电荷的存在加大了绝缘层中的电场 ，这就需要栅 电极上有更多负电荷才能恢复原有的表面
势 ，也 就 是需 要 更 大 的 负 电压 来 建 立 原来 的表 面 电势 ，因 此 ｃ Ｖ曲线 将 会 整 体 向 负 电压 方 向移 动 ． —
氢稀释 气氛 下 的 ｌ ｅ ｙ ａｅ 技 术淀 积一 层厚 度 为 ５ｎ ａ ｒ ｙｒ ｙ ｂｌ ｍ的 ｌ— ｉ ｌ Ｓ 量子 点层 ．最后 淀 积厚 度大 约 为 ２） ｎ Ｃ （ｎ
的氮化 硅层 ．作 为控 制栅 层 ，为 了进行 电学 性质 的测 量 ，利用 真空 热蒸 发技 术 ，在样 表而 制 备
面陷 阱能级 和费 米能 级 的相对位 置 发生 变化 ．随着 这种 变化 ，界面 陷阱 能级 中电 子的填 充状 态也将 改
变 ．例 如 ，费米 能级位 于 界面 陷阱 能级之 上 时 ，受 主界 面 陷阱将 带负 电 ；费米 能级位 于 界 面陷阱之 下
时 ，界面 陷阱将带正电．界 面陷阱带电状态 的变化将使界面出现过剩 电荷 ，这将引起 （ Ｖ ： 特性 发生 一
方法 。称 为准静 态 电容法 ． 消去 （ ）和 （ ） 中的 Ｃ ３ ４ 。可 以得 到界 面 态 电容 的表ｉ 大形式
ｃｉ ｃ。 ＝ ＣＩ Ｃ （ ｏ ｃ ｖ ／
～
ｌｃ （ ｏ ｌＣ ｉ￣ ｙ／
ｌ一 １
时 ，界面 态 中 电荷 的变化 量 为
／
ｃ） 。 Ｊ
］
，
（） ５
漂 移 ．但 它 和 定 电荷 引起 的 （ Ｖ特 性 平 移不 同 ，吲定 电荷 使 （ Ｖ特性 只发 生半 移 ，而 界 晰陷 阱除 ： 一 一 了使 Ｃ Ｖ特性 移 动之 外 ，还 引 起 其形 状 发 生变 化 ，这 是 因为 界 面陷 阱 中 的电荷 量 本 身还 随 表 而 电势 —
１ ａ ＳＮ ／ｃ Ｓ ａ ＳＮ 双势垒结构的制备 — ｉｘ — ｉ — ｉｘ ｎ ／
采 用 的方 法 是 在 大氢 稀 释 的气 氛 中逐 层 （ ｙｒ ｙ ａｅ ）生 长 一 １ ｅ ｂ ｙｔ ａ ｌ 量 子 点 ，在 Ｐ （ Ｄ系统 Ｉ Ｅ］ Ｖ ｛ Ｊ 次 性 原位 淀积 整 个 ａ ＳＮ／ｅ Ｓ／— ｉ 对 称 双 势 垒结 构 ，从 而减 小 了外 界 环境 因素 对 结 构 的影 响 ， — ｉ — ｉ ＳＮ 不 ｈ ａ
金 属功 函数 对 Ｃ Ｖ的影 响 和 ｌ定 电荷 一样 ．下 面 主要 讨 论界 面态 对 Ｃ Ｖ特性 曲线 的影 响 和利用 ＭＩ 结 — 古 】 — Ｓ
构 电容 特性 来研 究 界面态 的方法 ．在 ＭＩ结 构 中 ，界面态 又称 为界面 陷 阱 ，可 以俘 获 正电荷也 可以俘 Ｓ 获 负 电荷 ，能量 上位 于禁 带 中 的分 立 或连续 的能级 ． 当 ＭＩ结 构偏 压变 化 时 ，表 面 能带发 生 弯 阱 ，表 Ｓ ｌ 面电势 改变 ．但 在平衡 状 态下 ，半 导体 的体 内与表 面处 的费米 能级是 恒定 的 ，这 就意味 着表 面处 的 界
能 够 得 到质 量 良好 的纳米 结 构 ．所 用 的衬 底 为 Ｐ 型硅 ，电阻率 为 ６ ８ｆｅ － ｌｍ．在 衬 底放 入 Ｐ Ｃ Ｄ系统 ＥＶ
生 长腔 之 前 ，经过 了标 准的 Ｒ Ａ清洗 ，并 且用稀 释 的 氢氟 酸溶 液 （ Ｃ 浓度 为 ３ ％Ｈ ： （ １１ ）漂 去硅 ０ ＦＨ！： ：０ ）
为如下部分组 成的电路 ：绝缘层单位电容 Ｇ ，半 导体空间电荷层 电容 Ｇ ，界面态单位面积 电容 Ｇ１ ．
和 其对 应 的 电阻 Ｒ 这个 电阻对 应 于界 面态 对 载流 子 ，
因 为 界 面 态 密度 定 义 为 单 位 面积 、单 位 能 量 间 隔 内的 界 面态 能级 数 ，因此 ， 当表 面势 变 化 ｄ Ｖ
ｄ ｔ ｔ ， Ｑｉ ＝ｇ ｉ ｄ
（） ６
式 中 ｄ 单位 面 积下 的 电荷量 ．则 界 面态 密度 Ｑ为
＝
吉 导 （ 一ｈｃ 等＝导 ｆ Ｃｏ ｃＩ Ｃ
或偏压变化造成的．界面陷阱可以等效为一个电容 （ 和半导体空间电荷层电容相并联 ，这时结构 …
总 电容 为
（去 ＋． 、 、（ （ （ 、 （ ） ＋ ， ’
一
・
～
３ ・ ８
凼为 界 回陷 阱的冗 放 电有一 定 的频 率响 应 ，在很 向的频 率 Ｆ，界 面 的充 放 电速 率跟 不上信 号 的变
电极 ，在衬 底背 面蒸 铝 ，最后 经过 合金 化形 成欧姆 接 触．
２ 电容和 电压测量法的基本原理
电容一 电压 （ 、 （一Ｖ ）特性是指在金属一 绝缘体一 半导体 （ Ｉ）结构上加偏压 ，同时洲量其小信 ＭＳ
号电容随外 加偏 压 的变化 特 性． 理想 ＭＩ结 构不 考虑 金属 栅极 和半 导体 之 间 的功 数差 ，不 考虑 绝缘 Ｓ 层 中的 电荷 ． 在理 想 ＭＩ结 构 上 加 上偏 压 Ｓ 电压 的一部 分 作 用 在绝 缘 层 卜，… 部 分作 用 在 、 导 体表 面 ，形成 表 面势 ． 可 以将 ＭＩ结 构 电容相 当于绝 缘 层 电容和半 导体 夺 问 电荷 的 串联 Ｓ
且 还 可 以得 到 耗 尽 区 和 弱 反 型 区 的 界 面态 密 度 的
值 ，可 以获得 载 流子 的俘获 截 面 和表 面势 波 动等 信
息 ，是获取界面态信息最完备的方法．
电导 测 量法 基 于对 ＭＩ结 构 等效 并 联 单位 电导 Ｓ Ｇ 和 单 位 面积 电容 Ｇ 的测 量 ． 图 １ 出 了 ＭＩ 结 给 Ｓ 构 的等 效 电路 ，如 图 １ ） 示 ，ＭＩ 结 构 可 以等 效 （所 ａ Ｓ
栅 压之 间 的关 系 ，Ｂ ｒｌｎ 提 出 了一个 简单 的计 算方 法 ： ｅｇｕｄ
其 中 △为 ＝ １ 的表 面 势 的值 ． 时 用 电导 的 方法 来 测 量界 面 态 的方 法 最早 是 由 Ｂ ｌ实验 室 的 Ｎｃｌａ 和 Ｇ ｅｚｅｇｔ １６ 年提 出 ， ｅｌ ｉ ｌｎ ｏｉ ｏｔ ｒｅ在 ９ ７ ｂ 被 公认 为是测 量 界 面态 灵敏 度 最 高 的方法 ． 用这 种 方 法 可 以获得 大小 在 １ ｍ ｅ 级 的 界 面态 ，而 ０ａ Ｖ 量
管小 电流时电流增益下降 ，使 Ｍ Ｓ Ｏ 晶体管跨导降低 、频率特性和 阀电压不稳定．界面态可 以俘获和 释放 电荷 ，严重恶化纳米存储器件以及隧穿器件的性能．一般情况下界面态密度与器件制造工艺密切 相关 ，通过适 当的退火工艺降低界面态密度．因此 ，界面态密度的测量对于研究器件特性 、 监控工艺
第 ３ 卷第 ３ ２ 期 ２１ 年 ６ ０１ 月
韩 山 师 范 学 院 学 报
Ｖ １ ２Ｎ ． ｏ． ｏ ３ ３
Ｊ ｎ２ １ ｕ ．０ ｌ
用电容和 电导测量法研究 ＳＮ ／ｃＳ ＳＮ ｉｘ — ｉ ｉｘ ｎ ／ 双势垒结构界面特性
王 祥
（ 山师 范学院 物理 与电子工程 系，广 东潮 州 ５ １４ ） 韩 ２ ０ １
质 量 、提 高 器件性 能 尤 为重要 ．
本文 采用 电容和 电导 特性 测量 法来 研究 硅 基双 势 垒存储 结 构界 面态 密度 ，不 仅能 够测 出禁 带 中较 大能 量 范 围 内的界 面 态 密度 分布 ，还 能测 出 表面 势 该方 法灵 敏 度 高 、操作 简便 、对样 品结构 要 求 ． 不 高 ． 近年 来 ，在 Ｇ Ｓ半 导体 量 子点 、超 晶格 能 带结 构 、Ｈｇ— ｅｉ ｉｈ Ｋ材 料 和单 电子存 储 器等 方 面都 有 广
中 图 分 类 号 ：Ｔ ３６ ４ ２ Ｎ ８ ；０ ７ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１０ — ８ ３ ０ １ ３ ０ ３ — ５ ０ ７ ６ ８ （ １） — ０ ７ ０ ２ ０
界面特性 良好 ，其界面态密度为 ３×１ ｃ Ｖ ． ０ ｍｅ
近 年来 ，半 导体 纳 米结 构 引起 了人们 极 大 的兴趣 ，特 别 是基 于纳 米硅 量子 点 的双势 垒结 构 和多层 膜 结构 ． 因为硅 基结 构 可 以和现 代微 电子 技 术高 度兼 容 ，可 以利用 现 有成熟 的硅工 艺制 备 出高质 量 的 纳 米器 件结 构 ，由于在 纳米 尺度 下量 子 尺寸 效应所 产 生 的许 多新奇 的物理 现象 ，使得 这 种结 构成 为许 多 纳米 电子器 件 的基 本 结构 ，因 而 引起世 界范 围 内的广 泛 关 注 ． 如何 制 备 出高质 量 的 ｎ— ｉ 子点 ｃＳ量 和 纳米结 构 是研 究其 电学性 质和 最终 实现 其器 件应 用 的关 键 问题 ，而制 备 高质 量 的纳米 电子器 件 结构 的重 点是 控 制结 构 的界 面态 密度 ．较 高 的界 面态 密度严 重 影 响纳米 电子 器件 的性 能 和正 常运行 ． 如界 面 态可 以起产 生 、复合 中心 作 用 ，还 可 以起 到 散射 中心 作用 ，使 ｐ 结反 向漏 电流增 加 、双 极性 晶体 ｎ