УДК 621.319.2
А. П. Лучников, Московский институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)
Электретные пленки в приборах микросистемной электроники
|
Описаны физические принципы перспективных функциональных устройств с
электретным слоем, предназначенных для применения в полупроводниковых приборах
микросистемной электроники. Даны рекомендации по их применению в датчиках,
акустических преобразователях, полупроводниковых приборах и быстродействующих
фотоприемниках. |
Введение
Эффективность и надежность полупроводниковых приборов и интегральных схем определяет надежность и качество электронной аппаратуры в целом. Использование электретов позволяет создавать полупроводниковые лазеры и фотоприемники, транзисторы, электронные ключи и другие приборы с улучшенными характеристиками, расширенными функциями и тем самым совершенствовать электронную аппаратуру. Применение электретных пленочных элементов в бесконтактных коммутаторах систем ввода информации существенно повышает надежность устройства ввода за счет устранения недостатков, которые присущи контактным элементам коммутации [1]. Использование электретов в микрофонах и приемниках систем визуализации акустических голограмм [2-4] позволило значительно упростить систему антенной решетки и повысить чувствительность в широком диапазоне частот, а в фотоприемнике пикосекундного диапазона существенно увеличить быстродействие и улучшить качество преобразования оптической информации [5-7].
Электретные пленки функционально и технологически согласуются с приборами
полупроводниковой электроники. В последние годы получены тонкие пленочные
электретные материалы на основе оксида кремния и фторполимеров, которые
обеспечивают высокие электретные характеристики и технологически совместимы с
полупроводниковыми приборами и элементами функциональной электроники [8-14]. Применение
электретов позволяет простыми и недорогими способами создавать в
полупроводниках области с определенным типом проводимости и значением
электропроводности, инверсионные слои и физические 
переходы. Использование электретов в
микроэлектронных полупроводниковых микросистемных приборах привлекательно
возможностью придавать электронным приборам такие уникальные свойства, как
уменьшение межэлектродных емкостей, увеличение быстродействия, повышение
степени интеграции элементов в интегральных схемах, а также обеспечение в ряде
случаев их повышенную стабильность и надежность.
Теоретические предпосылки
Действие электрета на
полупроводник обусловлено электрическим полем, источником которого являются заряды
в электретном материале, а также наличием локальных электронных состояний,
возникающих вблизи границы раздела электрета с полупроводником. Электрический
потенциал 
в объеме полупроводника можно определить из
решения уравнения Пуассона:
,
(1)
где объемный заряд в полупроводнике
,
(2)
– заряд электрона; 
и 
– концентрации ионизованных доноров и
акцепторов; 
и 
– концентрации свободных дырок и электронов в
слое, отстоящем на 
от границы раздела между полупроводником и
электретом; 
– диэлектрическая проницаемость; 
Ф/м. При
этом верны следующие граничные условия:
; 
; 
. (3)
Напряженность электрического
поля на границе раздела 
направлено по нормали к этой границе и связано
с приведенным к единичной площади зарядом электрета 
:
.
(4)
Величины и 
в легированном полупроводнике взаимно связаны
соотношением
, (5)
где 
– длина экранирования
Дебая; 
– собственная концентрация;
; 
– постоянная
Больцмана; 
– абсолютная
температура.
В легированном невырожденном полупроводнике -типа 
и 
, поэтому соотношение (5) упрощается:
.
(6)
Из выражения (6) видно, что электретный слой с поверхностной плотностью
заряда создает в
полупроводнике поверхностный потенциал , а электрическое поле проникает в объем полупроводника на
глубину , которая определяет размер области пространственного заряда
(ОПЗ).
В зависимости от значения и знака в полупроводнике
возникает обогащенный, обедненный или инверсионный приповерхностный слой и
физический -переход, что можно использовать для управления параметрами и
свойствами полупроводниковых материалов в приборах с помощью электретов.
Электретные пленки
В настоящее время высокостабильные электретные элементы микроприборов
практически можно создавать с высокой плотностью поверхностного заряда в виде
пленок и покрытий из фторполимерных материалов [8-10], а также на основе пленок
или слоистых структур из оксида и нитрида кремния [12-14]. Оксид кремния
является наиболее термостабильным электретом, в котором величина в слое толщиной до
0,4 мкм может достигать 10-6 Кл/см и создавать
поверхностные поля с напряженностью более 106 В/см. Сильное
электрическое поле электрета влияет не только на полупроводниковую подложку, но
также изменяет свойства самого электретного материала. Так, по данным
эллипсометрических измерений коэффициент оптического преломления оксида кремния
на длине волны 0,63 мкм изменяется в среднем на 6·10-2, что
необходимо учитывать при его использовании в оптоэлектронных приборах.
На рис. 1 приведена принципиальная схема электронного ключа, содержащего
полупроводниковый прибор, идентичный полевому транзистору. В полупроводниковой
подложке 1 имеются два электрода 2 и 3
с выводами, разделенными зазором 
, отличающиеся от подложки типом проводимости.
|
|
|
Рис. 1 |
В устройстве имеется электретный элемент 4,
знак заряда которого совпадает со знаком заряда основных носителей в подложке.
Электрет 4 находится на расстоянии 
от изолятора 6 полевого транзистора и может
перемещаться на расстояние 
. Изменяя , можно включать или выключать электрический ток между
электродами 2 и 3 под диэлектрическим
слоем 6 (благодаря эффекту поля в
зоне 5) при любой полярности
подводимого к электродам внешнего напряжения. Применение дополнительного
изолированного электрода 7,
размещенного в защитном слое диэлектрика 6,
повышает чувствительность и стабильность параметров выходного импульса прибора.
Такой микроприбор может использоваться в качестве бесконтактного электронного
ключа многоцелевого назначения, который лишен недостатков, присущих контактным
переключателям.
Наиболее эффективное использование электретные элементы нашли в миниатюрных конденсаторных микрофонах для приема акустических звуковых или ультразвуковых сигналов в газовой среде [4,14]. Принципиальная схема конструкции электретного микрофона представлена на рис. 2 [14].
|
|
|
Рис. 2 |
Здесь динамический конденсатор микрофона создается кремниевым противоэлектродом 1 и эластичной мембраной 2, которая выполнена из полимера, металлизированного с внешней стороны алюминием. Кремниевый противоэлектрод 1 имеет электретный слой 3 из оксида кремния и сквозное отверстие 4, соединяющее воздушный объем в зазоре динамического конденсатора с объемом акустической камеры 5. На обратной стороне кремниевого противоэлектрода 1 имеется согласующий усилитель 6 на полевом транзисторе, выполненный по интегральной технологии. Корпус акустической камеры 7 может изготавливаться как из кремния, так и из другого конструкционного материала. При выполнении мембраны 2 из полиэтилентерефталата (толщиной 13 мкм) частотная характеристика микрофона (кривая 1 на рис. 3) имеет резонанс на частоте 8,5 кГц, что обеспечивает прием звуковых сигналов до 10 кГц с чувствительностью 8,8 мВ/Па.
|
|
|
Рис. 3 |
Однако описанная конструкция микрофона не обеспечивает субминиатюрность его размеров, поскольку применяемый тип отдельных мембран усложняет конструкцию и технологию его выполнения. Исследования [4,14,15] показали, что миниатюризация микрофонов возможна при изготовлении всех элементов его конструкции по кремниевой интегральной технологии, используемой в микроэлектронике. Здесь мембрана может быть выполнена на кремнии в виде слоистой структуры из оксида и нитрида кремния с металлизацией алюминием (как электродом) при общей толщине, не превышающей 1 мкм. В этом случае габаритные размеры основной конструкции динамического конденсаторного преобразователя могут не превышать ~2×2 мм.
В конструкции субминиатюрного микрофона из кремния (рис. 4) [4] мембрана выполнена в виде активной слоистой структуры 2-3 из оксида кремния 2 и нитрида алюминия 3 на кремнии 1 и обладает высокими пьезоэлектрическими свойствами. Электроды 4 и 5 выполняются планарными и наносятся вакуумным напылением алюминия на поверхность. При общей толщине мембраны, не превышающей 1 мкм, в акустическом преобразователе обеспечивается хорошая чувствительность в широком диапазоне частот акустических колебаний (кривая 2 на рис. 3) в газовой среде. Преобразователь конструктивно прост и имеет минимальные габаритные размеры 1,7×1,7 мм.
Для регистрации ультразвука в жидких средах в электретном преобразователе
используется упругий электретный элемент 4
(рис. 5) [16]. Принцип построения датчика аналогичен рассмотренному выше
(см. рис. 1). Такой датчик преобразует акустическое давление в жидкой
среде в электрический сигнал. В устройстве, представленном на рис. 5,
вместо воздушного зазора используется полимерный электретный материал
поливинилфторид (ПВФ) толщиной 30 мкм, который после термополяризации
имеет устойчивую остаточную поляризацию (электретное состояние) 
. При этом электрет из ПВФ обладает высокими
пьезоэлектрическими свойствами. В таком преобразователе внешнее акустическое
давление 
жидкой среды вызывает
изменение наведенного заряда на электроде 7
за счет пьезоэффекта в поляризованном ПВФ, благодаря чему полупроводниковый
транзисторный элемент в кремнии 1
преобразует его в изменение тока между электродами 2 и 3 пропорционально
амплитуде акустического давления. Здесь электрод 7 расположен внутри защитного диэлектрического слоя 6 (из оксида кремния толщиной
1,5 мкм) и выполнен с размерами, большими, чем чувствительная область 5 полевого транзистора 2–5–3, что повышает чувствительность
преобразователя. Слой эпоксидной смолы 8 (толщиной
не более 5 мкм) является клеевым. Электроды 1 и 9 заземлены.
Конструктивно микроприбор изготовлен в виде линейки-антенны из 34 электретных
элементов на полупроводниковом кристалле размером 9×14,28 мм для
сканирования акустических полей в диапазоне частот от 1 до 6 МГц. Каждый
элемент линейки-антенны выполнен согласно схеме, показанной на рис. 4, и
имеет размер 0,42×9 мм [16].
|
|
|
|
Рис. 4 |
Рис. 5 |
В перспективе можно использовать электретный эффект в слоистых активных полупроводниковых
структурах, например, в типовом полевом транзисторе с изолированным затвором,
где возможно существенно снизить его межэлектродную емкость сток-исток и
повысить быстродействие. Схема такой транзисторной структуры с электродами
истока и стока 2 и 3 на подложке 1 с
электретом 6 показана на рис. 6.
Обычно электрод затвора 4,
размещенный на диэлектрическом слое 5,
частично покрывает области 2 и 3, создавая значительную емкость исток-затвор-сток.
Если же затвор сделать короче канала транзистора и ввести электретное покрытие 6, то уменьшится межэлектродная емкость,
а проводимость канала исток-сток не ухудшится из-за образования инверсионных
областей у краев электрода затвора. Таким образом, использование электретного
пленочного покрытия с достаточной плотностью заряда определенного знака
уменьшит межэлектродные емкости полевого транзистора и обеспечит повышение
быстродействия прибора.
|
|
|
Рис. 6 |
Высоковольтные диоды и транзисторы обычно имеют систему делительных охранных
колец, обеспечивающих увеличение напряжения пробоя, которые обычно создают методом
диффузии примесей. Замена или совмещение с ними индуцированных электретных
колец позволит сократить периметр высоковольтных приборов и тем самым увеличить
выход годных приборов при их размещении с повышенной плотностью. Структура
такого диода изображена на рис. 7, где на кремниевой -подложке 1 имеется
область 
-типа проводимости и металлический электрод 6. На поверхности подложки сформированы
электретные слои 4, которые защищены
диэлектрическим слоем 5. Благодаря
электретным элементам 4 толщина ОПЗ
вдоль поверхности раздела диэлектрик-полупроводник больше ее толщины в объеме
подложки, чем обеспечивается желаемое увеличение напряжения поверхностного
пробоя. Электрет 5 может быть нанесен
как дискретными кольцами, так и непрерывным покрытием с изменяющейся по площади
плотностью заряда, чтобы обеспечить высокую однородность электрического поля
вдоль поверхности прибора и соответственно повысить напряжение пробоя.
|
|
|
Рис. 7 |
Полевой транзистор с проницаемой базой [17] относится к транзисторам нового
типа, обладает высоким быстродействием, а отдельные его разновидности
обеспечивают более расширенную функциональную зависимость между входным
сигналом и выходным током, чем в других приборах [18]. Схема такого транзистора
изображена на рис. 8. Прибор формируется на подложке 2 (например, из арсенида галлия 
-типа проводимости) с электродом 3, на котором расположен высокоомный слой 4, например, из арсенида галлия -типа проводимости. В приповерхностной части слоя 4 расположена область 
-типа проводимости также из арсенида галлия толщиной 
с электродом 6. Металлический затвор 3 и слой 4 образуют барьер Шоттки. Затвор 3 состоит из системы металлических полос, отстоящих друг от друга
на расстоянии , причем 
, где 
– толщина ОПЗ у
контакта Шоттки. Структура транзистора ограничена с боков областями 7 и 8
из компенсированного полуизолирующего арсенида галлия -типа проводимости. Эти области должны быть достаточно
высокоомными, чтобы ограничивать ток между стоковым 3 и истоковым 6
электродами за пределами проницаемой базы. Для обеспечения изолирующих свойств
в областях 7 и 8 обычно создаются
радиационные дефекты протонной бомбардировкой.
|
|
|
Рис. 8 |
Скопление радиационных
дефектов, возникающее в этом случае, способствует проводимости и образованию
проводящих кластеров и каналов в этих областях, что приводит к повышению уровня
собственных шумов и ухудшению характеристик микроприбора. Улучшить и
стабилизировать параметры такого прибора возможно путем улучшения изолирующих
свойств областей, ограничивающих с боков транзисторную структуру, применением
электретного покрытия. Здесь изолирующие слои можно создать также с помощью
электретных пленочных элементов 9,
расположенных на поверхности истокового слоя 8 в виде ОПЗ с высокими и стабильными изолирующими свойствами. Знак
заряда электрета должен совпадать со знаком основных носителей заряда в
полупроводнике 7, 8. Так, для случая сильно легированного
полупроводника (
) решение уравнения Пуассона (1) позволяет получить критерий
выбора плотности заряда в виде соотношения
,
(7)
где – поверхностный
потенциал, измеренный в единицах 
.
Наименьшее расстояние от края электретного
слоя до истокового электрода можно определить из следующего соотношения:
.
(8)
В приборе на основе арсенида галлия при максимальном искривлении зон у
поверхности (
) с концентрацией в -слое 
см-3 величина 
см. При 
см-3 величина 
см. При этом концентрация дефектов в изолирующих областях 7 и 8
не должна превышать 5·1016 см-3. Таким образом,
соотношения (7), (8) представляют критерий создания ОПЗ в полупроводнике для
обеспечения улучшенных параметров транзистора с проницаемой базой.
Электретные покрытия используются в быстродействующих фотоприемниках,
работающих в пикосекундном диапазоне [6,7]. Современные фотоприемники,
работающие в ближней ИК области спектра с длительностью импульса фотоответа
100-150 пс, достаточно полно описаны в работе [19], а УФ фотоприемники
рассмотрены в работе [20]. Перспективными являются фотоприемники с двумя
планарными контактами из золота, образующими потенциальные барьеры Шоттки с
полупроводником. Использование электрета в таких фотоприемниках позволяет
улучшить их быстродействие. Структура фотоприемника изображена на рис. 9, а, где в плоскости
полупроводниковой подложки 1
расположены два прямоугольных электрода 2
и 3 размером 
, которые образуют с подложкой 1 из арсенида галлия контакты с барьером Шоттки. Открытая
поверхность полупроводника или 
-зазор между электродами являются приемным окном светового
излучения. Быстродействие такого прибора определяется временем пролета
носителей зарядов между электродами 2 и
3. Для оценки связи быстродействия
прибора с его конструктивными параметрами выполнен расчет фронта импульса
фототока. Использован метод конформных преобразований на основе аналогии между
емкостью и проводимостью в однородной среде без воздействия электретного слоя.
Однородность электрических свойств полупроводника обеспечивается тем, что
расстояние выбирается значительно
меньше толщины ОПЗ барьера у контактов Шоттки. Исследования показывают, что
основной вклад в ток фотоотклика вносят участки электродов, отстоящие от зазора
между электродами не более, чем на . Именно в этой части полупроводника обеспечивается
однородность его электрических свойств. Здесь межэлектродный зазор и время пролета
носителей в нем определяют быстродействие фотоприемника, которое зависит от
трех факторов: краевых эффектов вблизи электродов, дрейфовой подвижности и
максимальной скорости дрейфа носителей зарядов.
|
|
|
Рис. 9 |
Вопрос о подвижности носителей зарядов в фотоприемнике со встречно включенными
барьерами Шоттки является важным, так как она радикальным образом влияет на его
быстродействие. В высокоомных полупроводниках с проводимостью, близкой к
собственной, подвижность снижается, как, например, в 
-области планарных 
фотодиодов [16].
Недостаток, присущий диодам, частично
проявляется у фотоприемников на барьерах Шоттки, изготовленных из высокоомных
полупроводников, когда в межэлектродном зазоре проводимость приближается к
собственной.
Однако, если реализовать пространственное разделение электронов и дырок в
полупроводниковом кристалле вблизи электродов 2 и 3 (рис. 9,б),
например, дополнительным внешним электрическим полем (полем электрета), то
можно обеспечить усиление монополярного типа проводимости в межэлектродном
зазоре, увеличение скорости дрейфа фотоносителей и соответственно повышение
быстродействия фотоприемника. При этом устраняется влияние краевых эффектов на
затягивание заднего фронта фототока, чем обеспечивается увеличение
быстродействия. В фотоприемнике (рис. 9,а,б) с электретным покрытием 5 дополнительно обеспечивается
уменьшение длины линии тока за пределами зазора 
, поскольку электрическое поле электрета “прижимает” линию
тока основного носителя заряда в полупроводнике к электродам, уменьшает время
его дрейфа вдоль этой линии, т.е. повышает быстродействие фотоприемника. При
этом электретное покрытие 4 может
быть заряженным не только по краям электродов, но и по всей площади
фотоприемника или приемной матрицы приборов.
Экспериментальные образцы фотоприемников с электретным покрытием имеют большее быстродействие (кривая фотоотклика 3 на рис. 9,б) по сравнению с фотоприемником без электретного слоя (кривая 2 рис. 9,б), за счет сокращения длительности среза импульса фототока.
Таким образом, проведенные исследования показали, что электретные тонкопленочные элементы при их сочетании с полупроводниковыми приборами твердотельной электроники могут успешно использоваться в приборах микросистемной техники для улучшения их рабочих характеристик.
Список литературы
1.
Sessler G.M.,
West J.E. Elektret transdukers: a review // The J. Of Acoust. Soc. of
American. 1973. V. 53. № 6. P. 1589-1600.
2.
Alais P.
Real time acoustical imaging with a 256×256 matrix of electrostatic
transducers // Acoust. Yologr.
3.
Kuhnel W.
Kapazitiver Schallwandler // Deutsches Patent: DE3807251 Al. Varz 1988.
4. Kuhel W., Franz J., Hohm D., Heb G. Silucon Subminiature for Airborne Sound // Acustica. 1991. V. 73. P 90-99.
5. Вдовенков В.А., Прокофьева С.П., Усачева Т.Н. Быстродействующие приемники с контактами на барьерах Шоттки // Журнал технической физики. 1990. Т. 60. № 2. С. 213-216.
6. Вдовенков В.А., Кузьмина Л.И. и др. Влияние свойств слоев GaInAs на параметры быстродействующих фоторезисторов с контактами на барьерах Шоттки // Неорганические материалы. 1991. Т. 27. № 8. С. 1575-1578.
7. Вдовенков В.А., Лучников А.П. и др. Применение электретного покрытия в фотоприемниках на барьерах Шоттки // Известия АН УзССР. Сер. физ.-мат. наук. 1990. № 4. С. 73-76.
8. Лучников А.П., Классов В.Н. Стабильность заряда тонкопленочных электретных покрытий // Техника средств связи. Сер. ЛОСС. 1990. № 1. С. 34-40.
9. Лучников А.П., Сигов А.С., Камильджанов Б.И. Влияние электронной обработки на свойства вакуумных фторполимерных пленок // Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах. 2-я Междунар. конф. Томск: ТПУ. 2000. С. 320-323.
10. Лучников А.П. Термостабильность электретных элементов в конденсаторных электроакустических приемниках // ПЬЕЗОТЕХНИКА-2000. Материалы Международной НПК. М.: МИРЭА. 2000. С. 289-291.
11.
Лучников А.П., Классов В.П.,
Камильджанов Б.И. и др. Новые ионно-плазменные технологические методы нанесения
тонких полимерных покрытий // Органические полупроводниковые материалы. Химия и
технология. Пермь: ПГУ. 1991. С. 4-14.
12. Gunther P. Charging, Long-term Stability, And TSD Measurements of SiO2 Electrets // IEEE Trans, on Electr. Insulation. 1989. V. 24. № 3. P. 430-442.
13.
Вдовенков В.А., Лучников А.А.,
Филимонов В.В. Электреты на основе оксида кремния // Техника средств
связи. Сер. ЛООС. 1990. № 1. С. 29-34.
14.
Hohm D.,
Gerhard-Multhaupt R. Silirone-dioxide electret transducer //
J. Acoust. Soc. Am. 1984. V. 75. № 4. P. 1287-1298.
15.
Murphe P.,
Hubschi K., De Rooij N., Racine C. / Subminiature Silicon
Integrated Electret Caracitor Microphone // IEEE Transac. on Electrical
Insulation. 1989. V. 24. № 3. P. 495-498.
16.
Swartz R.G.,
Plummer J.D. Integrated Silicon-PVF2 Acoustic Transducer Arrays //
IEEE Trans. On Electr. Devices. 1979. V. ED-26. № 12.
P. 1921-1931.
17. Bozer C., Alley G. Fabrikation and numerical simulation of the permeoble base transistor // JEEE Trans. On Electroinsulation. 1980. V. ED-27. № 6. P. 1128.
18. Вдовенков В.А., Засед В.С. Полевой транзистор на барьере Шоттки // А.с. СССР. № 1220523. 1984.
19. Фотоприемники и фотопреобразователи / Под ред. Алферова Ж.И. и Шмарцева Ю.В. Л.: Наука, 1986. С. 7-165.
20. Котляков А.В., Лучинин В.В., Четвергов М.В. Сенсоры “жесткого” ультрафиолетового излучения на основе широкозонных материалов // Микросистемная техника. 2000. № 2. С. 9-15.
| Наверх |