Rev. Phys. Appl. (Paris) 18, 763-767 (1983)
DOI: 10.1051/rphysap:019830018012076300

Structures Al-Al2O3-InP : Analyse des processus de dérive et évaluation des hauteurs de barrières par photoémission interne

S. Krawczyk, B. Sautreuil et P. Viktorovitch

Laboratoire d'Electronique, Automatique et Mesures Electriques de l'Ecole Centrale de Lyon , 36, av. de Collongue, B.P.163, 69131 Ecully, France

Abstract
Drift phenomena of electrical characteristics of MIS devices on InP are presently a major difficulty for the development of this type of device and the matter of dispute in the literature. In this work, a novel analysis of these phenomena is proposed on the basis of internal photoemission studies of Al-Al2O3-InP structures. Among other applications, this technique gives access to the determination of the insulator-semiconductor barrier height and permits to control the filling of interface traps. Al 2O3 is deposited by electron-gun evaporation. Prior to the deposition, InP substrates were prepared by first chemico-mechanically polishing them with a bromine-methanol solution followed by several chemical treatments resulting either in etching of the native oxide (HF solution) or in the formation of a stable oxide (NH4OH solution). For comparison, photoemission measurements are also carried out on Al-Al2O3-Si structures whose insulator is deposited in the same conditions and silicon substrate submitted to a classical chemical treatment. The barrier height χ n which conduction electrons have to overcome to reach the Al 2O3 conduction band is significantly lower for InP (2.8 ± 0.1 eV) than for Si (3.1 ± 0.1 eV). Results are practically independent of the chemical treatment of the semiconductor surface. The comparison of these results with the reported values of the electronic affinities of InP and Si reveals the contribution of an interface dipole of 0.65 ± 0.1 eV at the Al2O3-InP interface with regard to the Al2O 3-Si interface. The difference (0.3 ± 0.1 eV) observed in the values of χn for InP and Si is not sufficient to account for drift phenomena in InP-MIS structures on the basis of the injection and trapping of hot electrons in Al2O 3. The correlation between photoemission measurements and drifting behaviour of the devices shows that their stability depends strongly on the quality of the deposited insulator. It is further demonstrated that the formation of a stable native oxide results in the limitation of drift phenomena and in the reduction of the dispersion of electrical characteristics due to a poor reproductibility of the fabrication conditions of the gate insulator.

Résumé
L'instabilité des caractéristiques électriques des structures MIS sur InP est actuellement un problème majeur pour le développement de ce type de dispositif et constitue la matière d'une polémique très ouverte dans la littérature. Dans ce travail, nous proposons une nouvelle approche de ces phénomènes fondée sur l'étude de la photoémission interne de structures Al-Al2O 3-InP. Cette technique permet, entre autres, la mesure directe de la hauteur de barrière semiconducteur-isolant et le contrôle du remplissage des pièges d'interface. Al2O3 est déposé par évaporation au canon à électrons. Avant le dépôt, les substrats d'InP subissent un polissage mécano-chimique Br-CH3OH, suivi de divers traitements chimiques conduisant soit au décapage de l'oxyde natif (solution HF), soit à la constitution d'un oxyde stable (solution NH4OH). En vue de comparaison, les mesures de photoémission sont aussi effectuées sur des structures Al-Al 2O3-Si dont l'isolant a été déposé dans les mêmes conditions, après avoir soumis le substrat de silicium à un traitement chimique classique. La hauteur de barrière χn, présentée aux électrons de conduction de l'InP par l'Al2O3 (2,8 ± 0,1 eV) est sensiblement plus faible que dans le cas du silicium (3,1 ± 0,1 eV). Les résultats ne dépendent pas, au premier ordre, du traitement chimique des substrats. La comparaison de ces résultats avec les valeurs rapportées dans la littérature de l'affinité électronique de l'InP et du Si, indique une contribution dipolaire relative de 0,65 ± 0,1 eV à l'interface Al2O3-InP par rapport à l'interface Al2O3-Si. La différence observée (0,3 eV ± 0,1 eV) entre les valeurs de χn pour l'InP et le Si n'est pas suffisante pour expliquer les phénomènes de dérive observés dans les structures MIS-InP sur la base de processus d'injection, suivis de piègeage, de porteurs chauds à l'intérieur de l'alumine. La corrélation des résultats de mesure de photoémission et des caractéristiques de dérive des dispositifs montre que ces dernières sont fortement tributaires de la qualité de l'isolant déposé et que leur dispersion, pouvant résulter d'une mauvaise reproductibilité des conditions de fabrication de l'isolant est considérablement réduite, de même que leur amplitude limitée, en présence d'un oxyde natif stable à la surface du semiconducteur.

PACS
7340Q - Electrical properties of metal insulator semiconductor structures.
2530F - Metal insulator semiconductor structures.

Key words
alumina -- aluminium -- III V semiconductors -- indium compounds -- metal insulator semiconductor structures -- photoemission -- Al Al sub 2 O sub 3 InP structures -- drift phenomena -- barrier height -- internal photoemission -- electrical characteristics -- MIS devices -- insulator semiconductor barrier height -- injection -- trapping -- hot electrons