Проводимость структур металл-нитрид-оксид-полупроводник при наличии сильного флуктуационного потенциала тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Российский научный центр «Курчатовский институт»

На правах рукописи УДК 538.9

I

ДАВЫДОВ Александр Борисович

ПРОВОДИМОСТЬ СТРУКТУР МЕТАЛЛ-НИТРИД-

ОКСИД-ПОЛУПРОВОДНИК ПРИ НАЛИЧИИ СИЛЬНОГО ФЛУКТУАЦИОННОГО ПОТЕНЦИАЛА

01.04.07 - физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва — 2005

Работа выполнена в Институте молекулярной физики Российского научного центра «Курчатовский институт»

Научный руководитель: Научный консультант:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

кандидат фиг.-мат. наук Б. А. Аронзон

доктор ф из.-мет. наук A.C. Веденеев

доктор ф из.-мат. наук В.А. Кульбачинскнй кандидат физ.-мат, наук В.И. Борисов

Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе (Санкт-Петербург)

Защита состоится « 15 » июня 2005 г. в часов на заседании Диссертационного совета, шифр Д520.009.01.

РНЦ «Курчатовский институт» (123182, г. Москва, гл. Акад. И.В. Курчатова, д. 1).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РНЦ «Курчатовский институт»

Автореферат разослан «_».

2005 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета

//f

А.В. Мерзляков

у&о

Обшая характеристика работы

Диссертационная работа посвящается экспериментальному исследованию транспортных свойств квази- двумерных полупроводниковых структур на основе слабо легированного р-кремния при наличии в квази- двумерном инверсионном канале проводимости структур крупномасштабного флуктуационного потенциала, концентрацию источников которого можно контролируемым образом изменять.

Актуальность темы. Интерес к электронным свойствам

квази- двумерных электронных систем типа металл- изолятор-полупроводник, связан как с изучением фундаментальных закономерностей перехода диэлектрик-металл, так и с проблемами и перспективами развития современной микроэлектроники. Одной из актуальных проблем, в частности, является исследование проявления естественной разопурядоченности объектов исследований. Причиной беспорядка низкоразмерных объектов изготовленных на основе легированных полупроводниковых структур является высокое содержание встроенных зарядов (ионизированных примесей с концентрацией 1012 - 10" см*2). Эти заряды индуцируют хаотический потенциальный рельеф в плоскости квази- двумерных электронов, - так называемый флуктуационный потенциал. Проводимость таких структур носит перколяционный характер. При этом электронный перенос в диэлектрической фазе осуществляется за счет переходов носителей заряда между ямами потенциального рельефа, формирующими перколяционный кластер, а .механизм таких

переходов через перевальные области флуктуац ионного потенциала определяет как полевые (в зависимости от потенциала затворного электрода), так и температурные зависимости проводимости структуры.

Особый интерес в данной связи представляют мгзоскоптеские объекты, то есть объекты у которых длина между стоком и истоком структуры сравнима с характерным размером сетки перколяционного кластера или с корреляционной длиной кластера в системе. В этих условиях становится возможным появление у системы свойств характерных для структур более низкой размерности.

Кроме того, обычно в условиях эксперимента сильно разупорядоченная система, не зависимо от природы и масштаба флуктуационного потенциала, а также размерности и материала из которого она изготовлена, находится в состоянии, далеком от термодинамического равновесия. Очевидно, что в таких системах можно ожидать наблюдения эффектов, связанных со стремлением системы занять более энергетически выгодное для нее состояние, т.е. со стремлением системы к состоянию термодинамического равновесия. Наблюдение зависимостей проводимости от времени в таких система привлекает в последнее время всё большее внимание. Как показывают исследования в системах с сильным беспорядком можно наблюдать эффекты зависимости проводимости от времени с характерными временами до нескольких десятков часов. Причем изменение проводимости при этом может достигать нескольких порядков величины.

Объекты исследования,

В работе исследовались структуры транзисторного типа, изготовленные на основе слаболегированного р- кремния с инверсионным каналом проводимости и составным подзатворным диэлектриком, так называемые металл- нитрид-оксид- полупроводник (МНОГТ) структуры. Схематичное

изображение структуры

представлено на рис. ] .а. (подробнее о структурах подобного типа можно почитать в [1]). Подзатворный диэлектрик структуры состоит из слоя нитрида кремния ^¡э^) толщиной 350 А и слоя оксида кремния (5Ю2) толщиной -30 А. На границе раздела диэлектриков имеются пограничные состояния, способные захватывать и хранить заряд, так называемые ловушки. Плоскость ловушек отделена от плоскости квази- двумерного канала проводимости слоем оксида кремния. При приложении положительного потенциала (около 30 В) к затвору структуры происходит инжекция электронов из канала на ловушки. Таким образом достигается изменение зарядового состояния ловушек на границе раздела двух диэлектриков, которые в данных структурах играют роль источников крупномасштабного

Рисунок 1 .а. Схематичное изображение МНОП-

структуры в разрезе; 1 -металлический затвор; 2 -нитрид (350 А); 3 - граница раздела нитрид - оксид, на которой расположены

источники ФП; 4 - оксид (30 А); 5 - двумерный канал проводимости; 6 - п -контакты.

флуктуационного потенциала для электронов в канале проводимости.

Для исследований были взяты структуры двух типоразмеров, как показано на рис. 1.6.:

а) структуры с длиной канала (расстояние исток- сток) 5 мкм и шириной 50 мкм. Длина выбиралась исходя из модельных расчетов корреляционной длины перколяционного кластера в системе, оценка для которой получилась 1—10 мкм. Таким образом длина канала структуры сравнима с корреляционной длиной кластера в структуре;

б) структуры с геометрией двойного Холловского креста полной шириной 60 мкм (ширина между Холловскими зондами - 20 мкм) и длиной 150 мкм (длина между потенциальными зондами - 50 мкм). Длина структуры в данном случае выбиралась много большей корреляционной длины перколяционного кластера в структуре.

I.

II

60|л

I

Рис. 1.6. Типоразмеры МНОП- структур, исследованных в работе.

Основные цели работы:

1. Исследование проводимости сильноразупорядоченных двумерных структур в зависимости от концентрации источников флуктуационного потенциала, напряжения на затворе и размера структур с целью выяснения мезосконических особенностей в их поведении;

2. Исследование температурных, полевых (в зависимости от потенциала затвора) и магнитополевых зависимостей проводимости структур с длиной канала меньшей корреляционной длины перколяционного кластера с целью изучения перехода к квази- одномерной проводимости и особенностей проводимости после этого перехода;

3. Исследование временных зависимостей проводимости МНОП-структур при высокой концентрации источников флуктуационного потенциала и различных способах выведения системы из состояния равновесия;

4. Построение модели объясняющей низкотемпературные свойства сильноразупорядоченных квази- двумерных МНОП-структур;

5. Определение параметров флуктуационного потенциала в квази- двумерных МНОП- структурах на основе модельных расчетов, опирающихся на экспериментальные данные.

Практическая значимость диссертации обусловлена тем, что полученные в настоящей работе данные позволяют оценить степень влияния беспорядка в системе на характер проводимости в ней при уменьшении размера структуры. Данная задача актуальна для современной микроэлектроники тем более для /

структур на основе наиболее технологично-значимого материала - кремния.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

1. Показано, что проводимость сильно разупорядоченных структур с длиной канала ~ 5 мкм, меньшей корреляционной длины перколяционного кластера в системе, может иметь характерное для квази- одномерных структур поведение. А именно, на кривых зависимости проводимости структуры от потенциала затвора наблюдается область квази- плато с характерным значением проводимости равным кванту проводимости 2ег/А. Тем самым продемонстрирована возможность наблюдения квантово- размерных эффектов в структурах макроскопических размеров;

2. Выяснено что, проводимость исследуемых структур J определяется положением квази- уровня Ферми по отношению

к перевальным областям флуктуационного потенциала. Определены температурные и магнитополевые зависимости проводимости данных структур. Показано, что

знаки производной проводимости по температуре и магнетосопротивления изменяются при увеличении напряжения на затворе, причем смена знака происходит вблизи значений проводимости ег/Ь;

3. Представлена экспериментально обоснованная модель, объясняющая электрофизические свойства структур с длиной канала меньшей корреляционной длины перколяционного кластера в двумерной системе с сильным флуюуационным потенциалом;

4. Проведен анализ структуры перевальных областей флуктуационного потенциала и определены параметры флуктуационного потенциала в системе;

5. Обнаружены долговременные (с характерным временем ~10 минут) релаксации проводимости двумерных структур, которые по сути отражают свойства потенциального рельефа, сформированного флуктуациями потенциала при высокой концентрации встроенного заряда в подзаггворном диэлектрике. Выявлена природа долговременных релаксаций проводимости.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Выяснено, что определяющим фактором, влияющим на проводимость сильноразупорядоченной двумерной структуры, является соотношение между её размерами и радиусом корреляции перколяционного кластера ¿с. В короткоканальной структуре (Ь ~ ¿с) проводимость определяется одиночной перевальной областью флуктуационного потенциала и носит квантовый характер, а в структурах больших размеров (Ь » ¿с) -является квази- двумерной;

2. Объяснена причина перехода от квази- одномерной к двумерной проводимости короткоканальной (£ - Ьс) структуры при увеличении напряжения на затворе. Этот переход вызван экранированием флуктуационного потенциала электронами проводящего канала;

3. Установлено, что температурная зависимость проводимости короткоканальной двумерной структуры {Ь ~ 1с) определяется параметрами перевальной области потенциального рельефа (характерными масштабами флуктуационного потенциала). В результате, появляются три области затворного напряжения, отличающиеся знаком производной проводимости по температуре и разделенные значениями, при которых эта производная обращается в ноль;

4. Показано, что квантовая природа проводимости одиночной перевальной области флуктуационного потенциала определяет

магнетосопроти вл е н ие короткоканальной структуры, приводя к смене его знака при затворном напряжении, соответствующем проводимости, близкой к ег!И\

5. Обнаружена долговременная релаксация проводимости в двумерных структурах больших размеров (£ » £с) с крупномасштабным флуктуационным потенциалом, связанная с перестройкой этого потенциала при изменении концентрации экранирующих его носителей заряда;

6. Разработана методика извлечения характерных параметров флуюуационного потенциала из полевых и температурных зависимостей проводимости структуры.

Апробация работы и публикации: Основные результаты работы были доложены на следующих Российских и международных научных конференциях:

ХШ Уральская международная зимняя школа по физике полупроводников, Екатеринбург, Россия (1999);

32-е Всероссийское совещание по физике низких температур (НТ-32). Казань, Россия (2000);

25й International Conference on the Physics of Semiconductor, Osaka, Japan (2000);

14ft International Conference on the Electronic Properties of Two -Dimensional Systems (EP2DS-14), Prague, Czech Republic (2001);

9s11 International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology", St. Petersburg, Russia (2001);

33-е Всероссийское совещание по физике низких температур (НТ-33). Екатеринбург, Россия (2003);

10^ International Conference on Hopping and related phenomena, Trieste, Italy (2003);

12й International Symposium " Nanostructures: Physics and Technology". St. Petersburg, Russia (2004);

1-я Всероссийская конференция по наноматериалам НАНО-2004, Москва (2004).

По теме диссертации имеется 14 публикаций в научных журналах и сборниках конференций. Список работ приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитированной литературы. Объем диссертации составляет 118 страниц, включая 34 рисунка.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы и выбор объектов исследования, формулируются цели и задачи работы, её научная новизна и выносимые на защиту положения, её практическая значимость.

В первой главе дается обзор литературы посвященной рассмотрению современного взгляда на проводимость полупроводниковых систем с крупномасштабным флуктуационным потенциалом и сопутствующим явлениям.

В начале главы представлен краткий обзор особенностей структур с различной размерностью и основных их отличий между собой.

Затем изложены основные положения теоретического рассмотрения проводимости параболического седлового потенциала в зависимости от положения уровня Ферми в отсутствии магнитного поля и при приложении внешнего магнитного поля [2].

Далее более подробно рассмотрена теория перколяционной проводимости разупорядоченных структур и механизмов проводимости в перколяционных структурах.

Заключительная часть главы посвящена краткому обзору современного рассмотрения процессов происходящих в системах типа электронное стекло, то есть в так избываемых неэргодических системах. Приведены некоторые результаты, полученные в других экспериментальных группах, которые проводили исследования систем подобных тем, которые рассматриваются в данной работе.

Во второй главе описаны объекты исследования и методики, применённые при их исследовании. Приведены экспериментальные и расчетные данные, позволяющие оценить корреляционную длину перколяционного кластера в структурах. На основании этих данных был произведен выбор размеров образцов. Особое место отведено изложению основных положений теории нелинейного экранирования флуктуационного потенциала [3], формирующего среду с перколяционной проводимостью в структурах, подобных исследованным в работе.

Приведены схемы основных узлов автоматизированной установки для гальваномагнитных измерений и вакуумной вставки в транспортный гелиевый сосуд, составляющих единую систему, созданную для выполнения исследований в рамках данной работы. Установка позволяет производить измерения в диапазоне температур 4.2 - 300 К, в магнитных полях до 3 Тл и широком диапазоне сопротивлений образца (Ю10 - 1 Ом). Так же обсуждается точность полученных результатов.

В третьей главе приведены результаты сравнения зависимостей проводимости от потенциала затвора структур двух типоразмеров между собой (см. рис. 2). Показано, что в двумерной короткоканальной структуре при наличии сильного флуктуационного потенциала в отличие от аналогичных структур большого размера проявляются свойства характерные для квази- одномерных структур.

А именно кривая зависимости проводимости от потенциала затвора короткоканальной структуры демонстрирует квази- плато вблизи

значения проводимости близкого кванту

проводимости 2ег/к, тогда как для структуры большого размера это квази- плато наблюдается вблизи

значения, соответствующего представлениям о

минимальной металлической проводимости [4].

Представлена модель,

объясняющая различное поведение этих зависимостей.

Далее представлены результаты исследования зависимостей проводимости

5 10 15 Gate voltage, V

Рисунок 2. Зависимости проводимости короткоканальной (пустые кружки) и длинноканальной (черные кружки) структур от потенциала затвора при 4.2 К.

короткоканальных структур от потенциала затвора при различных температурах, а также измерения температурных и магнитополевых зависимостей проводимости.

Температурные зависимости проводимости короткоканальных

*

структур указывают на смешанный характер их проводимости. В зависимости от температуры в проводимости преобладают либо туннельная составляющая, либо активационная, либо их вклады

сравнимы. На зависимостях проводимости от потенциала затвора при различных температурах наблюдается общая точка пересечения ниже квази- плато. Приводится объяснение этого эффекта в рамках представленной модели и предлагается структура перевальной области флуктуационного потенциала, соответствующая представлению о характерных масштабах флуктуаций в системе.

В четвертой главе приведены результаты исследования

1x10

4 6 8 Gate voltage, V

Рисунок 3. Зависимость проводимости структуры от потенциала затвора при концентрации источников ФП ~10,s см\ при увеличении и уменьшении потенциала затвора. На вставке: та же зависимость при концентрации

источников ФП < 5*/(У7 см'2.

зависимостей проводимости структур большого размера от времени. При измерении зависимости

проводимости структуры от потенциала затвора наблюдается гистерезис, как это видно на рисунке 3. Гистерезис проявляется следующим образом: при последовательном измерении

зависимости сопротивления от напряжения на затворе кривые, снятые при увеличении затворного напряжения, отличаются от кривых, снятых при уменьшении затворного напряжения (т.е. на «обратном ходе»). Такое поведение проводимости наблюдается в структурах с высокой концентрацией встроенного заряда и связано с

наличием избыточных носителей в «ямах» потенциального рельефа.

Также представлены результаты измерения зависимостей проводимости структур от времени при различных способах выведения системы из состояния равновесия. Из состояния равновесия система выводилась двумя различными способами: первый - при скачкообразном увеличении потенциала затвора, характерное время релаксации в этом случае ~ I минута, характерная величина изменения проводимости - 2 раза; второй - резкое охлаждение системы, характерное время релаксации ~ 1 час, характерная величина изменения проводимости - три порядка величины. Релаксации в обоих случаях носят логарифмический характер.

Проведено сравнение полученных результатов с результатами, наблюдаемыми в других экспериментальных группах на объектах с мелкомасштабным флуктуационным потенциалом [5]. Объяснение отличия результатов от результатов других групп дается в рамках представленной модели на основе представлений о нелинейном экранировании флуктуационного потенциала [3].

В пятой главе представлены модельные расчеты таких параметров системы как масштаб флуктуационного потенциала в системе, кривизна перевальной области флуктуационного потенциала. Расчет производился на основании результатов измерения экспериментальных зависимостей проводимости от различных параметров. Расчеты производятся независимо для разных параметров системы.

Полученные результаты сравниваются межцу собой, а также с известными параметрами системы и расчетными данными,

полученными на основании знания параметров системы безотносительно к результатам экспериментов. Показано, что полученные расчетные данные коррелируют между собой, подтверждая правильность предложенной модели.

В заключении кратко сформулированы основные результаты, полученные в работе и представлены выводы.

Основные результаты работы

1. Показано, что проводимость квази- двумерных транзисторных структур с сильным флуктуационным потенциалом и длиной канала сравнимой с корреляционной длиной перколяционного кластера определяется одиночными перевальными областями потенциального рельефа и проявляет свойства, характерные для квази- одномерной проводимости;

2.Показано, что при изменении напряжения на затворе проводимость сильноразупорядоченных структур с длиной канала - 5 мкм, сравнимой с радиусом корреляции перколяционного кластера Ьс, демонстрирует наличие квази- плато вблизи значений проводимости 2е2/Н, которое сменяется переходом от квазиодномерной к двумерной проводимости;

3.Исследованы температурные и магнитополевые зависимости проводимости квази- двумерных структур. Показано, что производная проводимости по температуре и магнитосопротивление меняют свои знаки вблизи значений проводимости е2/Н;

4. Экспериментально показано, что наличие сильного ф л у кту ац и он но го потенциала в системе приводит к появлению логарифмической зависимости проводимости системы от времени, к так называемой долговременной релаксации проводимости;

5. Предложена модель, объясняющая весь спектр полученных экспериментальных данных по электрофизическим свойствам двумерных структур с крупномасштабным флуктуационным потенциалом;

6. Продемонстрировано, что в рамках предложенной модели на основе результатов измерения проводимости можно оценить параметры флуктуационного потенциала в системе и их зависимость от основного параметра системы - потенциала затвора, линейно связанного с положением квази- уровня Ферми в системе;

7. Из данных по исследованию зависимостей проводимости от температуры на основе модельных расчетов получен эффективный профиль потенциального барьера, определяющего туннельный транспорт носителей в перевальных областях флуктуационного потенциала.

Список публикаций по теме диссертации

1. А.Б. Давыдов, Температурная зависимость проводимости в квази двумерных сильноразупорядоченных структурах металл- диэлектрик-полупроводник в условиях проявления квантования кондактанса, Радиотехника и электроника, т. 45, № 7, стр. 845 (2000).

2. Б.А. Аронзон, Д.А. Бакаушин, A.C. Веденеев, А.Б. Давыдов, Е.З. Мейлихов, Н.К. Чумаков, Проводимость электростатически-разупорядоченных квази- двумерных полупроводниковых систем в области перколяционного перехода диэлектрик- металл. ФТП, т. 35, вып. 4, стр. 448-455 (2001).

3. A. Davydov, N. Chumakov, В. Aronzon, A. Vedeneev, D. Bakaushin, J. Galibert, J. Leotin, Experimental study of saddle point conductance in strongly disordered Si-MNOS structure at high magnetic field, Physica B, 298(1-4), pp. 491-495 (2001).

4. А.Б.Давыдов, Б.А.Аронзон, Д.А.Бакаушин, А.С.Веденеев, О температурной зависимости проводимости электростатически разупорядоченных квазидвумерных полупроводниковых систем в области перколяционного перехода диэлектрик-металл, ФТП, т. 36, вып. 10, стр. 1241-1247 (2002).

5. А.Б.Давыдов, Б.А-Аронзон, Долговременные релаксации проводимости квази- двумерных сильноразупорядоченных МДП -структур, ФТП, т.38, вып. 6, стр. 693-698 (2004).

6. Б.А.Аронзон, Д.А.Бакаушин, А.С.Веденеев, А.Б.Давыдов, В.Е.Сизов, Е.З.Мейлихов, Н.К.Чумаков. «Квантование проводимости разупорядоченных квази- двумерных перколяционных систем»,

тезисы докладов XIII Уральской международной зимней школы по физике полупроводников, стр.11 (1999).

7. N.K.. Chumakov, А.В. Davydov, В.А. Aronzon, A.S. Vedeneev, D.A. Bakaushin, J. Galibert, and J. Leotin. Experimental study of saddle point conductance in strongly disordered Si-MNOS structure at high magnetic field. Proceedings of the 25th Int. Conf. Physics of Semiconductor Number: fb3120B3 (F252) Osaka (2000).

8. А.Б. Давыдов, Б.А. Аронзон, НЛС. Чумаков, А.С. Веденеев, Д.А. Бакаушин, J. Galibert, 5. Leotin. «Экспериментальное исследование квантования коидактанса в Si-МНОП структурах в сильных магнитных полях.» 32 Всероссийское совещание по физике низких температур. Тезисы докладов секции NS: "Наноструктуры и Низкоразмерные системы", стр.19. Казань (2000).

9. A. Davydov, N.K. Chumakov, В. Aronzon, A. Vedeneev, D. Bakaushin, Quantisation of the tunneling electron transport in percolating quasi-2D semiconductor structures: the temperature dependence. Proceedings of the 14th bit. Conf. On the Electronic Properties of Two - Dimensional Systems (EP2DS-I4), Prague, part 1, pp. 203-206 (2001).

10. B.A. Aronzon, D.A. Bakaushin, N.K. Chumakov, A.B. Davydov, A.S. Vedeneev, Disordered quasi-2D semiconductor structures: percolation, noncoherent mesoscopics, and conductance quantization. Proceedings of the 9th Int. Symp. "Nanostnictures: Physics and Technology'*, St. Petersburg, Russia, pp. 489-491 (2001).

11. А.Б. Давыдов, Б.А. Аронзон. «Долговременные релаксации проводимости квази-двумерных сильноразупорядоченных МДП -структур.» 33 Всероссийское совещание по физике низких температур.

Тезисы докладов секции SN: ''Сверхпроводимость; Наноструктуры и низкоразмерные системы", стр.236. Екатеринбург (2003).

12. B.Aronzon, A. Davydov, D. Kovalev, V, Rylkov, Nonlinear hopping conductivity and glassy behavior of Si-based MOS structures, 10 International conference on Hopping and related phenomena, Trieste, Italy (2003).

13. B.A.Aronzon, D.A.Bakaushin, A. B.Davydov, M.A.Feklisov, A.S.Vedeneev. Quantum conductance of disordered Si-MOS FET structures with inversional p-channel. Proceedings of the 12-th International Symposium "NANOSTRUCTURES: Physics and Technology". St. Petersburg, Russia, p. 344 (2004).

14. А.С.Веденеев, Д.А.Бакаушин, М.А.Феклисов, Б.А.Аронзон, А.Б.Давыдов. Разупорядоченные полевые транзисторы на основе Si: перколяционные и мезоскопические явления, квантование проводимости. Тезисы доклада на 1-ой Всероссийской конференции по наномагериалам НАНО-2004, Москва, стр.203 (2004).

Список цитированной литературы

[1] Зи С. Физика полупроводниковых приборов. -М.: Мир. 1984. т.1.

[2] M.Buttiker. Phys.Rev. В, 41, 906 (1990).

[3] В.АГергель, Р.А. Сурис. ЖЭТФ. 84. 719 (1983).

[4] Т.Андо, А.Фаулер, Ф.Стерн. Электронные свойства двумерных систем (М., Мир, 1985).

[5] Z.Ovadyahu, M.PoIIak. PRL 79,459 (1997).

Подписано в печать 26.04.2005, Формат 60x90/16 Печать офсетная. Усл. печ. л. 1.25 Тираж 61. Заказ 32

Отпечатано в РНЦ «Курчатовский институт» 123182, Москва, пл. Академика Курчатова

|i -8 4 86

РНБ Русский фонд

2006-6 460

стр.

Введение.

Глава1. Электронные свойства разупорядоченных ^ электронных систем

1.1. Квантовые эффекты проводимости

1.1.1 Плотность состояний 1 б

1.1.2. Баллистическая проводимость

1.1.3. Проводимость седловой области

1.2. Эффекты перколяционной проводимости

1.3. Некогерентная мезоскопика

1.4. Электронные стекла.

Глава 2. Образцы и методики

2.1. Объекты исследования

2.2. Характеристики флуктуационного потенциала

2.3. Критерий подбора образцов.

2.4. Экспериментальная установка и методики

Глава 3. Транспортные характеристики ВьМНОП структур (¡о

3.1. Эффект поля (

3.2. Температурная зависимость проводимости

3.3. Магнетополевые характеристики

3.3.1. Эффект Холла

3.3.2. Магнеторезистивный эффект

Глава 4. Релаксация проводимости БьМНОП структур

§о

4.1. Гистерезис проводимости при изменении потенциала затвора

4.2. Релаксация проводимости при выведении системы из стационарного состояния

4.3. Причины возникновения релаксационных явлений в исследуемых структурах

4.4. Природа релаксационных явлений

Глава 5. Оценка параметров перевальной области ФП

Интерес к исследованию электронных свойств квази- двумерных электронных систем типа металл- изолятор- полупроводник, связан с недостаточной изученностью их фундаментальных свойств. Несмотря на огромное число статей посвященных двумерному электронному газу и ряд монографий [1, 2] многие вопросы до сих пор остаются невыясненными. В первую очередь к ним относятся вопросы, связанные с проявлениями разопурядоченности объектов исследований, в частности относительной роли энергии электрон- электронного взаимодействия и флуктуационного потенциала. Это постоянно актуальный вопрос о локализации носителей (сильной и слабой), активно обсуждаемый вопрос-о переходе диэлектрик-металл в нулевом магнитном поле, особенности квантового эффекта Холла и т.д. Именно к этого типа вопросам относится вопрос о проявлении в двумерных макроскопических структурах свойств, характерных для одномерных микроструктур (квантование проводимости), обсуждаемый в этой диссертационной работе.

Статистические флуктуации локальной плотности зарядов, расположенных вблизи проводящего канала индуцируют хаотический потенциальный рельеф в канале двумерной проводимости транзисторной структуры - флуктуационный потенциал (ФП), оказывающий существенное влияние на электронные характеристики систем [1]. Эффекты, связанные с наличием в системе сильного ФП оказываются существенными даже при комнатных температурах. В первую очередь, это - локализация квази-2Б электронов в минимумах хаотического потенциального рельефа [3]. Кроме того, вследствие экспоненциального разброса локальной концентрации электронов в условиях сильного ФП проводимость таких разупорядоченных систем имеет перколяционный характер [4]. При этом электронный перенос в диэлектрической фазе осуществляется за счет переходов носителей заряда между ямами потенциального рельефа, формирующими перколяционный кластер, а механизм таких переходов через перевальные области флуктуационного потенциала определяет как полевые (от потенциала затворного электрода), так и температурные зависимости проводимости структуры.

Особый интерес в ситуации с перколяционной проводимостью представляют мезоскоттеские объекты, то есть объекты с размером вдоль распространения тока (длина между стоком и истоком структуры) сравнимым с характерным размером перколяционного кластера (размером ячейки сетки перколяционного кластера) или иначе - корреляционной длины перколяционного кластера в системе Ьс [4, 5]. Эффекты мезоскопики, хорошо известны на примере прыжковой проводимости [6], однако практически слабо изучены (на уровне демонстрации эффекта). Рассмотрение разупорядоченных квази-20 систем с сильным контролируемым ФП, где мезоскопические эффекты могут играть определяющую роль, открывает возможность более детального исследования этой области физики твердого тела и наблюдения интересных физических эффектов, таких как квантование проводимости.

Вышеизложенное определяет фундаментальный интерес к исследованиям данных объектов и актуальность данной работы. Будет рассмотрен случай, когда структуры типа полевого транзистора сильно разупорядочены действием зарядов, расположенных в подзатворном диэлектрике, т.н. «встроенного заряда», концентрацию которого можно контролируемо изменять. Основные исследования проведены для структур с концентрацией «встроенного заряда» вблизи предела возможного для использованного в работе типа структур, ограниченного пробивными полями подзатворного диэлектрика (около 2x1013 см"2). С практической точки зрения актуальность данного исследования заключается в том, что исследованные в работе структуры типа МНОП (металл- нитрид- оксид- полупроводник), как и многие современные низкоразмерные объекты на основе легированных полупроводниковых структур преимущественно разупорядочены вследствие причин одинаковой природы. А именно из-за высокого содержания встроенных в подзатворный диэлектрик зарядов (ионизированных примесей

12 13 2 с концентрацией 10 - 10 см").

Характерной особенностью рассматриваемых систем является возможность изменения в широких пределах как концентрации встроенного заряда, так и концентрации электронов в канале двумерной проводимости (20 электронов). Изменение концентрации 20 электронов, осуществляющих экранирование ФП [4], приводит также к изменению амплитуды ФП. Считается, что в 20 системах переход под действием эффекта поля к сильному ФП (т.е. к перколяционному режиму проводимости при малой концентрации 2В электронов) не приводит к существенному изменению кинетических коэффициентов (электропроводности и холловской подвижности) [7]. Между тем недавно было обнаружено [8] квантование проводимости короткоканальных транзисторов при гелиевых температурах. Это свидетельствует о кардинальном изменении характера электронного переноса в условиях сильного ФП, в частности, о переходе к квазиодномерному транспорту электронов.

В тоже время, любая сильно разупорядоченная система, не зависимо от природы и масштаба флуктуационного потенциала, а также размерности и материала из которого изготовлена система, является далекой от состояния полного термодинамического равновесия. Очевидно, что в таких системах можно ожидать наблюдение эффектов, связанных со стремлением системы занять более энергетически выгодное для нее состояние, т.е. со стремлением системы к состоянию полного термодинамического равновесия [9]. Наблюдение зависимостей проводимости от времени в таких система привлекает в последнее время всё большее внимание. Это связано в первую очередь с желанием оценить в какой мере адекватны проводимые ранее и в настоящее время эксперименты по изучению различных систем для которых характерно наличие беспорядка [9]. Теоретические предсказания, сделанные в [10] показывают, что на пути к состоянию полного термодинамического равновесия система преодолевает множество квази равновесных состояний, в которых она может находится длительное время без изменения наблюдаемых параметров системы, однако при переходе от одного квази равновесного состояния системы к другому ей параметры изменяются, а в состоянии полного термодинамического равновесия они могут кардинальным образом отличаться от её параметров в квази- равновесном состоянии. Как показывают исследования, в системах с сильным беспорядком можно наблюдать эффекты зависимости проводимости от времени с характерными временами до нескольких десятков часов [11]. Причем изменение проводимости при этом может достигать нескольких порядков величины.

Из вышесказанного можно заключить, что поведение систем с сильным ФП, особенно в случае структур малых размеров, до сих пор остается недостаточно изученным. Это обуславливает фундаментальный интерес к изучению механизмов проявления ФП в объектах пониженной размерности, актуальных для практического использования. Актуальность работы для практического применения также обусловлена тем, что в данной работе проводились исследования структур на основе наиболее технологичного материала современности - кремния.

Целью настоящей работы является изучение особенностей транспортных свойств квази- двумерных систем при наличии сильного флуктуационного потенциала. Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи: о Создана установка для проведения измерений температурных (в диапазоне 4.2 - 300 К), временных, полевых и магнитополевых (до 3 Тл) зависимостей проводимости структур в широком диапазоне значений проводимости структур ( от Ю"10- Ю^Сименс); о Исследованы зависимости проводимости от потенциала затвора при различных концентрациях источников флуктуационного потенциала и различных температурах для структур двух типоразмеров, с длинами каналов много больше и сравнимой с характерным размером ячейки ПК. Произведено сравнение поведения структур с длиной канала много большей характерного размера ячейки ПК и структур с длиной канала сравнимой с характерным размером ячейки ПК, выявлены мезоскопические особенности поведения короткоканальных структур; о Исследованы температурные, полевые (в зависимости от потенциала затвора) и магнитополевые зависимости проводимости структур с длиной канала меньшей корреляционной длины ПК с целью изучения перехода к квази- одномерной проводимости и особенностей проводимости после этого перехода; о Исследованы временные зависимости проводимости МНОП-структур при высокой концентрации источников флуктуационного потенциала и различных способах выведения системы из состояния равновесия; о Построена модель объясняющая низкотемпературные свойства сильноразупорядоченных квази- двумерных МНОП- структур; о Определены параметры флуктуационного потенциала в квазидвумерных МНОП- структурах на основе модельных расчетов, опирающихся на экспериментальные данные.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем: ^ Показано, что проводимость сильно разупорядоченных структур с длиной канала ~ 5 мкм, меньшей корреляционной длины перколяционного кластера в системе, может иметь характерное для квази- одномерных структур поведение. А именно, на кривых зависимости проводимости структуры от потенциала затвора наблюдается область квази- плато с характерным значением проводимости равным кванту проводимости 2е2//г. Тем самым продемонстрирована возможность наблюдения квантово- размерных эффектов в структурах макроскопических размеров; ^ Выяснено что, проводимость исследуемых структур определяется положением квази- уровня Ферми по отношению к перевальным областям флуктуационного потенциала. Определены температурные и магннтополевые зависимости проводимости данных структур. Показано, что знаки производной проводимости по температуре и магнетосопротивления изменяются при увеличении напряжения на затворе, причем смена знака происходит вблизи значений л проводимости е /Л; Представлена экспериментально обоснованная модель, объясняющая электрофизические свойства структур с длиной канала меньшей корреляционной длины перколяционного кластера в двумерной системе с сильным флуктуационным потенциалом;

Проведен анализ структуры перевальных областей флуктуационного потенциала и определены параметры флуктуационного потенциала в системе; Обнаружены долговременные (с характерным временем -10 минут) релаксации проводимости двумерных структур, которые по сути отражают свойства потенциального рельефа, сформированного флуктуациями потенциала при высокой концентрации встроенного заряда в подзатворном диэлектрике. Выявлена природа долговременных релаксаций проводимости.

Практическая значимость диссертации обусловлена тем, что полученные в настоящей работе данные позволяют оценить степень влияния беспорядка в системе на характер проводимости в ней при уменьшении размера структуры. Современная микроэлектроника стремится к миниатюризации отдельных частей микрочипов (транзисторов, диодов и прочих) с целью повышения интеграции и следовательно производительности. В связи с этим актуальны исследования свойств структур с размерами эффективной области, близкими к предельно возможным с точки зрения современной микроэлектроники (в случае данной работы характерный масштаб эффективной области образца ~ 30-100 А).

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитированной литературы из 63 наименований.

Заключение.

Полученные при выполнении диссертационной работы данные можно представить в виде нижеследующих основных результатов работы.

1. Показано, что проводимость квази- двумерных транзисторных структур с сильным флуктуационным потенциалом и длиной канала сравнимой с корреляционной длиной перколяционного кластера определяется одиночными перевальными областями потенциального рельефа и проявляет свойства, характерные для квази- одномерной проводимости;

2. Показано, что при изменении напряжения на затворе проводимость сильноразупорядоченных структур с длиной канала ~ 5 мкм, сравнимой с радиусом корреляции перколяционного кластера Ьс, демонстрирует наличие квази- плато вблизи значений проводимости 2с2///, которое сменяется переходом от квази- одномерной к двумерной проводимости;

3. Исследованы температурные и магнитополевые зависимости проводимости квази- двумерных структур. Показано, что производная проводимости по температуре и магнитосопротивление меняют свои знаки вблизи значений проводимости е /Л;

4. Экспериментально показано, что наличие сильного флуктуационного потенциала в системе приводит к появлению логарифмической зависимости проводимости системы от времени, к так называемой долговременной релаксации проводимости;

5. Предложена модель, объясняющая весь спектр полученных экспериментальных данных по электрофизическим свойствам двумерных структур с крупномасштабным флуктуационным потенциалом;

6. Продемонстрировано, что в рамках предложенной модели на основе результатов измерения проводимости можно оценить параметры флуктуационного потенциала в системе и их зависимость от основного параметра системы - потенциала затвора, линейно связанного с положением квази- уровня Ферми в системе;

7. Из данных по исследованию зависимостей проводимости от температуры на основе модельных расчетов получен эффективный профиль потенциального барьера, определяющего туннельный транспорт носителей в перевальных областях флуктуационного потенциала.

1. Андо Т., Фаулер А., Стерн Ф. Электронные свойства двумерных систем:

2. Пер. с англ.- М.: Мир, 1985.-415 стр. 3. Кульбачинский В.А. Двумерные, одномерные, нульмерные струтуры и сверхрешетки. Изд-во. Физического факультета МГУ, 1998. - 162 стр.

3. Гергель В. А., Сурис Р. А. Теория поверхностных состояний и проводимости в структурах металл-диэлектрик-полупроводник. // ЖЭТФ.- 1983.-Т.84, с.719.

4. Шкловский Б.И., Эфрос АЛ. Электронные свойства легированных полупроводников. М.: Наука, 1979. -416 стр.

5. Brews J.R. Surface potential fluctuations generated by interface charge inhomogenities in MOS devices // J.Appl.Phys. 1972. v.43. №5. p.2306.

6. Звягин И.П. Кинетические явления в неупорядоченных полупроводниках.- Изд-во. Моск. Университета, 1984.

7. Дыхне A.M. Проводимость двумерной двухфазной системы. // ЖЭТФ.1970.- т.59, с. 110.

8. Rylik A.S., Orlov А.О., Laiko E.I. Quantum quasi one dimensional transportand experimental study of potential fluctuations in GaAs/AiGaAs heterostructures. // Phys.Low-Dimens.Structures.- 1994.- №3.- c.67.

9. D.N.Tsigankov and A.L.Efros. Crossover from percolation to diffusion. // Phys.Rev. B, v.63, 132301 (2001).

10. Z.Ovadyahu, M.Pollak. Disorder and Magnetic Field Dependence of Slow У Electronic Relaxation. PRL 79, 459 ( 1997).

11. Л .Vaknin, Z.Ovadyahu, M.Pollak. Aging Effects in an Anderson Insulator PRL 84 (15), 3402-3405 (2000).

12. А.Б. Давыдов, Температурная зависимость проводимости в квази двумерных сильноразупорядоченных структурах металл- диэлектрик-полупроводник в условиях проявления квантования кондактанса, Радиотехника и электроника, т. 45, № 7, стр. 845 (2000).

13. A. Davydov, N. Chumakov, В. Aronzon, A. Vedeneev, D. Bakaushin, J. Galibert, J. Leotin, Experimental study of saddle point conductance in strongly disordered Si-MNOS structure at high magnetic field, Physica B, 298(1-4), pp. 491-495 (2001).

14. А.Б.Давыдов, Б.А.Аронзон, Долговременные релаксации проводимости квази- двумерных сильноразупорядоченных МДП структур, ФТП, т.38, вып. 6, стр. 693-698 (2004).

15. В.Aronzon, A. Davydov, D. Kovalev, V. Rylkov, Nonlinear hopping conductivity and glassy behavior of Si-based MOS structures, 10 International conference on Hopping and related phenomena, Trieste, Italy (2003).

16. B.A.Aronzon, D.A.Bakaushin, A.B.Davydov, M.A.Feklisov, A.S.Vedeneev. Quantum conductance of disordered Si-MOS FET structures with inversional p-channel. Proceedings of the 12-th International Symposium

17. NANOSTRUCTURES: Physics and Technology". St. Petersburg, Russia, p. 344 (2004).

18. А.С.Веденеев, Д.А.Бакаушин, М.А.Феклисов, Б.А.Аронзон, А.Б.Давыдов.

19. Разупорядоченные полевые транзисторы на основе Si: перколяционные и мезоскопические явления, квантование проводимости. Тезисы доклада на 1-ой Всероссийской конференции по наноматериалам НАНО-2004, Москва, стр.203 (2004).

20. А.А. Абрикосов. М.: Наука, Введение в теорию нормальных металлов 1972. стр. 146-161.

21. Buttiker M. Quantized transmission of saddle-point constriction. // Phys.Rev.B, 1990, v.41 (11), p.7906.

22. Broadbent S.R., Hammersley J.M. Percolation processes. 1.Crystals and mazes.- Proc. Camb. Phil. Soc., 1957, v.53, p.629.

23. Орлов A.O. Мезоскопические эффекты в прыжковой проводимости канала пполевого GaAs транзистора. // Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-матаматических наук. Москва, 1990.

24. Супрунчик В.В. Прыжковый транспорт в слоях кремния с низким содержанием атомов примеси. //ЖЭТФ, 1996, т. 110, вып.6, с.2127.

25. Yakimov A.I., Stepina N.P., Dvurechenskii A.V. Incoherent mesoscopic phenomena in amorphous silicon microstructures. // Phys. Low-Dim. Struct., 6(1994). p.75.

26. Райх М.Э., Рузин И.М. Мезоскопическое поведение температурной зависимости поперечной прыжковой проводимости аморфной плёнки. // Письма в ЖЭТФ, 1986, т.43, в.9, с.437-439.

27. Fowler Л.В., Hartstein Л., Webb R.A. Conductance in restricted-dimensionality accumulation layers. // Phys.Rev.Lctt., 1982, v.48 (3), p. 196199.

28. Лайко Е.И., Орлов A.O., Савченко A.K., Ильичёв Э.А., Полторацкий Э.А. Отрицательное магнетосопротивление и осцилляции прыжковой проводимости короткого электронного канала в полевом GaAs-транзисторе. // ЖЭТФ, 1987, т.93, в.6, с.2204-2218.

29. Орлов А.О., Райх М.Э., Рузин И.М., Савченко А.К. Статистические свойства мезоскопических флуктуаций проводимости короткого канала полевого GaAs-транзистора. // ЖЭТФ, 1989, т.96, в.6, с.2172-2184.

30. Глазман Jl.И., Лесовик Г.Б., Хмельницкий Д.Е., Шехтер Р.И. Безотражательный квантовый транспорт и фундаментальные ступени баллистического сопротивления в микросужениях. // Письма в ЖЭТФ, 1988, т.48, в.4, с.218-220.

31. J.H.Davies, P.A.Lee, T.M.Rice. Electron Glass. PRL 49, 758 (1982).

32. S.Bogdanovich, D.Popovich. Glass transition in a two-dimensional electron system in silicon. Physica E, 12, 604 (2002).

33. D.L.Staebler, C.R.Wronski. Reversible conductivity changes in. discharge-produced amorphous Si. Appl. Phys. Lett. 31, 292 (1977).

34. А.Г.Казанский, Э.В.Ларина. Релаксация созданного освещением метастабилыюго состояния a-Si :Н р-типа, легированного бором. ФТП, 32(1), 117(1998).

35. V.M.Pudalov, M.E.Gershenson, H.Kojirna. Memory Effects in Electron Transport in Si Inversion Layers in the Dilute Regime: Individuality versus Universality, cond-mat/0201001 (2002).

36. И. JI. Дричко, Л. M. Дьяконов, В. В. Преображенский, И. Ю. Смирнов,

37. А. И. Торопов. Взаимодействие поверхностных акустических волн с двумерным электронным газом в условиях спинового расщепления зон Ландау. ФТП 33 979 (1999)

38. С. Зи. Физика полупроводниковых приборов. (М.: Мир. 1984.). т.2, стр. 78 -90.

39. Гергель В.А., Шпатаковская Г.В. Флуктуационные поверхностные состояния и проводимость инверсионных слоев в МДП-структурах. // ЖЭТФ. 1992. т. 102. вып.2(8). с.640.

40. Efros A.L., Pikus F.G., Burnett V.G. Density of states of a two-dimensional electron gas in a long-range random potential. // Phys. Rev. B. 1993. v.47. No.47. p.2233.

41. У-> 51. Efros A.L. Non-linear screening and the background density of 2DEG statesin magnetic field. // Solid State Commun. 1988. v.67. No 11. p.1019.

42. Nicollian E.N., Brews J.R. MOS Physics and Technology. N.Y.: Willey. 1982. 906 p.

43. Гергель B.A., Сурис P.A. Исследование флуктуаций поверхностного потенциала в структурах металл-диэлектрик-полупроводник. // ЖЭТФ. 1978. т.75. вып.1. с. 191.

44. А.С.Веденеев, В.А.Гергель, А.Г.Ждан, В.Е.Сизов, Письма в ЖЭТФ 58, 368(1993).

45. Б.А. Аронзон, А.С. Веденеев, В.В. Рыльков. ФТП, 31, 648 (1997).

46. A. Kamenev and W. Kohn. Landaurer conductance without two chemical potentials. Phys.Rev. В 63, 155304 (2001); A.Kamenev, and W.Kohn. arXiv: cond-matt/0103488 (2001).

47. D.G.Polyakov, B.I.Shklovskii. Universal Prefactor of Activated Conductivity in the Quantum Hall Effect. Phys.Rev.Lett., 74, 150 (1995).

48. E.Arnold. Disorder induced carrier localization in Si surface layers. Appl.Phys.Lett. 25, 705 (1974).

49. Н.Мотт, Э.Дэвис. Электронные процессы в некристаллических веществах, т.1, М.: Мир (1982).

50. Y. Meir. Percolation-Type Description of the Metal-Insulator Transition in Two Dimensions. Phys.Rev.Lett. 83,3506(1999).

51. R. Landauer. Electrical Transport in Open and Closed. Systems. Z.Phys., 68, 217(1987).

52. B.JI. Бонч-Бруевич, И.П. Звягин, P. Кайпер, А.Г. Миронов, Р. Эндерлайн, Б. Эссер. Электронная теория неупорядоченных полупроводников. М., Наука. (1981) с.383.

53. А.В.Ржанов Электронные процессы на поверхности полупроводников. М., Наука (1971).