Научные направления

1. Диагностика подвижного заряда в кремниевых МОП-структурах. Транспорт заряда через границы раздела диэлектрика.
2. Подвижные ионы в тонких пленках диэлектриков (распределения ионов по уровням энергии, поверхностные ионные ловушки, распределение Гиббса и пространственные распределения ионов, механизмы транспорта ионов).
3. В лаборатории изучались также вопросы взаимодействие мощного электромагнитного излучения с полупроводниковыми структурами и приборами, развивалась (совместно с СКБ ИРЭ РАН, научный руководитель Дмитриев С.Г.) лазерная сканирующая спектроскопия, проводились исследования гетероструктур, выполнялись работы по термоэмиссии и Оже-электронной спектроскопии.

Зав.лаб.
д.ф.-м.н. Дмитриев Сергей Георгиевич

Закончил МФТИ с красным дипломом в 1972 г. Защитил кандидатскую диссертацию в Институте теоретической физики им. Л.Д. Ландау в 1975 г. Защитил докторскую диссертацию (д.ф.-м.н.) в ИРЭ РАН в 1989 г. Автор более 100 научных трудов (76 журнальных статей, 3 статьи в «Физической энциклопедии» и «Физическом энциклопедическом словаре»). Научная биография представлена в «Who is Who?».

Диагностика подвижного заряда в кремниевых МОП-структурах.
Транспорт заряда через границы раздела диэлектрика.

Требования к технологии изготовления современных приборов кремниевой микроэлектроники (сверхбольших интегральных микросхем и т.п.) всегда были высоки. Плотность пограничных состояний (ПС) на границе раздела (ГР) Si-SiO₂, концентрация подвижного заряда в плёнке окисла и других дефектов не должны превышать уровень ~10¹⁰ см^-2. Миниатюризация лишь повышает нормативы, и в настоящее время речь идёт о величинах в диапазоне 10⁹-10¹⁰ см^-2. Уровень совершенства структур в этой области, вероятно, самый высокий в электронике. Его реализация потребовала создания новых методов диагностики.

Рассмотрим, в качестве примера, диагностику подвижных ионов (и подвижного заряда вообще) в окисле МОП (металл-окисел-полупроводник)-структур. Требуемой, на сегодняшний день, чувствительностью при диагностике подвижных ионов в окисле обладают изотермический метод динамических вольт-амперных характеристик (ДВАХ) и метод вторично-ионной масс-спектрометрии.

Методика ДВАХ при количественной диагностике ионов традиционно используется в форме «метода вычитания». Его смысл состоит в том, что эффективная поверхностная концентрация ионов N_S определяется по площади ионного пика на ДВАХ, за вычетом емкостных токов, определяемых по низкочастотной вольт-фарадной характеристике (НЧ ВФХ) структуры. Отметим, что в этом методе используется предположение о блокирующем характере границ раздела (ГР) диэлектрика и не учитывается перераспределение потенциала между полупроводником и диэлектриком при движении ионов. История метода приведена в [10]. Ниже описано развитие метода «вычитания», в котором эти ограничения сняты.

Кроме того, в реальной ситуации, однако, транспорт заряда (ионов, дырок и электронов) через ГР в процессе измерений вполне возможен. Диагностика этих процессов представляет, конечно, и самостоятельный интерес.

При квазистатическом (квазиравновесном по отношению к электронным процессам в полупроводнике) изменении внешнего напряжения V_g(t) на структуре ток I(t) во внешней цепи и потенциал поверхности полупроводника (относительно его значения в объёме) φ_s равны [8]:

Приведенные уравнения справедливы для одномерной геометрии образца.

Приведем краткий вывод представленных формул. В общем случае, когда образец произвольной формы расположен между электродами А и В (электрод В заземлён) любой формы, ток во внешней цепи равен [8]:

Здесь С₀ емкость системы без токов, Φ^A (Φ₀^A) - потенциал электрода A при наличии (отсутствии) в образце зарядов, G пространство, занимаемое образцом, E(E₀) электрическое поле в образце при наличии (отсутствии) в нем зарядов, j конвективный ток в образце, P поляризация образца, ε диэлектрическая проницаемость образца, а r радиус-вектор. В формуле (3) первое слагаемое представляет собой емкостной ток, а второе слагаемое

описывает вклад от конвективных токов в пленке в измеряемый ток.

Заметим, что формула (3) справедлива для произвольной геометрии. В ней учтена также возможность протекания тока через обе границы раздела. Из нее нетрудно получить формулы (1) для одномерной геометрии, когда поляризация отсутствует, ε постоянна и однородна, а неоднородности потенциала на ГР диэлектрик-полупроводник отсутствуют. Формулы для I_con, в свою очередь, используют для определения концентрации подвижных ионов N_S в диэлектрике.

Формулы (1) можно использовать и для описания других случаев. Например, для описания многослойных структур [8] или расчёта термотоков в МОП-структуре [9].

Экспериментальная (компьютеризированная) установка на основе газопроточного вакуумного азотного криостата описана в [7]. Она позволяет проводить синхронные измерения ДВАХ и низкочастотных (или высокочастотных) ВФХ образца в криостате.

Эти измерения нужны для определения концентрации ионов на эксперименте. В случае блокирующих электродов I_em≡ 0. Тогда из предыдущих формул следует:

С другой стороны

Здесь S площадь структуры, j_con плотность конвективного тока, q_i заряд иона, d толщина плёнки, N_S поверхностная, а N_i объёмная концентрация подвижных ионов.
Из (5б) вытекает

где z₁=z_i (t₁) , z₂=z_i (t₂). В предположении z₂ - z₁ ≈ d получаем окончательно

Эту формулу и используют обычно при измерениях. Более общие формулы для N_S рассмотрены в [11-12].

Предлагаемый подход позволяет измерять и токи через ГР полупроводник-диэлектрик [8]. Для этого нужно дополнительно определить релаксацию потенциала полупроводника. Методика определения релаксации потенциала в таких условиях (довольно сложная, правда) предложена в [9].

Теоретическое описание ионов в твёрдом теле основано на введение понятий ионных уровней энергии и ионного уровня Ферми и на использовании распределения Гиббса ионов по энергиям [1-3]. Такой подход делает аналогию между электроникой и ионикой более полнокровной.

Литература

1. С.Г. Дмитриев, Ю.В. Маркин. ФТП, 34(8), 970-975 (2000)
2. С.Г. Дмитриев, Ю.В. Маркин. ФТП, 35(2), 192-199 (2001).
3. С. Г. Дмитриев, Ю.В. Маркин, В. М. Носырев. ПТЭ, № 4, 140 (2001).
4. С.Г. Дмитриев, Ю.В. Маркин. ФТП, 36(2), 205-210 (2002).
5. С. Г. Дмитриев, Ю.В. Маркин. РЭ, 48(3), 345-353 (2003).
6. С. Г. Дмитриев, Ю.В. Маркин, В.Е. Сизов. РЭ, 51(2), 133-150 (2006).
7. С. Г. Дмитриев, Ю.В. Маркин, В. М. Носырев, В.Е. Сизов. РЭ, 52(1), 85-96 (2007).
8. С. Г. Дмитриев. ФТП, 43(6), 854-858 (2009).
9. С. Г. Дмитриев. ФТП, 45(2) 192 (2011).
10. С.Г. Дмитриев. РЭ, 57(11) 1229-1233 (2012).
11. С.Г. Дмитриев. РЭ, 58(9) 983-986 (2013).
12. С.Г. Дмитриев. РЭ, 60(9), 957-962 (2015).