Самоупорядоченные наноструктуры в диффузионных кремниевых p-n-переходах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

СГ;

¿2? РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

«ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им.А.Ф.ИОФФЕ РАН

^Сг

„^ На правах рукописи

МАЛЯРЕНКО АННА МИХАЙЛОВНА

САМОУПОРЯДОЧЕННЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ В ДИФФУЗИОННЫХ КРЕМНИЕВЫХ р-п-ПЕРЕХОДАХ

(специальность 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1997

Работа выполнена в Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе РАН.

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Клячкин Л.Е.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук ТитковА.Н., кандидат физико-математических наук Балландович B.C.

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственг.ый технический университет.

Защита состоится " J " /^-JUzfL? 199 Л.

в ^Г2^ часов на заседании специализированного совета К 003.23.02 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук при Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе РАНпо адресу: 194021, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физико-технического института.

Автореферат разослан "_ 2" PA^JUfebZ 199Д

Ученый секретарь совета к.ф.-м. н.

Куликов Г.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время проводится большое число исследований, сказанных с созданием полупроводниковых приборов, в конструкции которых используются элементы пониженной размерности. К ним и первую очередь относятся низкопороговые лазеры, полевые и биполярные транзисторы на основе гетеропереходов, одиночных квантовых ям и-сверхрешеток, внутри которых реализуется двумерный газ носителей тока, обладающих высокой подвижностью.

Баллистические свойства электронов и дырок еще более усиливаются при дополнительном ограничении их движения в двумерном слое, что в предельном случае приводит к реализации одномерных и нуль-мерных структур, получивших,соответстаенно,название квантовая проволока и квантовая I очка. Впервые квантовые проволоки и точки были индуцированы внешним электрическим полем, ответственным за эффекты каналирования электронов и дырок, что стало возможным благодаря использованию субмнкронной литографии, с помощью которой формируется соответствующая топология контактов к двумерному слою. Применение наноструктур, представляющих собой различные конфигурации квантовых проволок с изолированными квантовыми точками, позволило существенно снизить значение порогового тока в лазерах на гетеропереходах, а также - значительно расширить частотный диапазон СВЧ-транзисторов.

Развитие методов молекулярно-лучевой эпитаксии сделало возможным получение квантовых проволок и кристаллографически ориентированных систем квантовых точек, самоупорядочивающихся непосредственно в процессе эпитаксиального роста двумерных слоев полупроводников АШВУ и А"ВХ1. Причем, в основе формирования всех известных до настоящего времени наноструктур в полупроводниках лежат процессы локального самоупорядочения атомов матрицы.

Между тем, самоупорядоченные наноструктуры могут также возник».» вследствие анизотропии диффузии примесных атомой'и ионов при их внедрении в полупроводниковую решетку методами ионной имплантации и диффузии. Подобная самоорганизация примесных центров резко усиливается при использовании метода неравновесной примесной диффузии в условиях контролируемой мнжекпин ваканс.ш или собственных межу»сль.;ых атомов. В этом случае преимущество имеет применение планариой технологии, в рамках которой можно реачпюпап, режим ускоренной диффуши легирующей

примеси, стимулируя обменное взаимодействие примесного атома с собственным межузельным атомом (клск-ош механизм диффузии) или вакансией (диссоциативный пакапсионный механизм), а также - осуществить резкое торможение примесной диффузии в режиме полной аннигиляции собственных дефектов.

Таким образом, ускоренную примесную диффузию целесообразно использовать для получения перпендикулярных поверхности двумерных сдоев, содержащих самоугюрядоченные примесные центры, тогда как формирование аналогичных слоев, параллельных поверхности, наиболее вероятно в условиях сильного торможения диффузии легирующей примеси. Применяя планарную технологию, можно достигнуть высокой плотности двумерных легированных слоев » приповерхностной области полупроводникового монокристалла. Вследствие этого следует ожидать, что диффузионные профили, полученные в процессе неравновесной диффузии, ^удут состоять из поперечных или продольных квантовых ям, сформированных между двумерными легированными слоями, которые ориентированы,соответственно,перпендикулярно или параллельно плоскости профиля.

Определенное преимущество диффузионных квантовых ям состоит в том, что они могут быть реализованы даже в элементарных полупроводниках, например, непосредственно в процессе получения кремниевых р-п-переходов и транзисторных структур. В этом случае самоупорядоченные примесные ионы в дпумерных слоях, разделяющих поперечные и продольные квантовые ямы, представляют интерес в качестве основы для образования динамических наноструктур в кристалле рафически ориентированном внешнем электрическом поле. Прямое и обратное напряжение, приложенное к р-п-переходу, полученному в условиях неравновесной диффузии, индуцирует элекгростатическое упорядочение примесных ионов, в результата чего продольные и поперечные квантовые ямы могут трансформироваться в систему параллельных квантовые проволок с изолированными квантовыми точками. Подобные диффузионные наноструктуры представляют значительный интерес для изучения одномерною транспорта носителей тока в условиях кулоновскоГ, блокады и создания высокотемпературных кремниевых транзисторов на одиночных электронах и дырках.

Следует отметить, что в рамках гпанарнои технологии неравновесная примусная диффузия может быть совмещена с режимами внутреннего гетте-рирпп.'ннш «статочных примесей и дефектов, чго делает возможным получе-

ние совершенных квантоворазмерных кремниевых р п-переходов, представляющих собой различные комбинации диффузионных квантовых ям. Пространственное разделение носителей тока встроенным полем по р- и п- поперечным квантовым ямам, образованным вследствие самоупорядочения примесных центров, может стимулировать резкое увеличение подвижности носителей и подавить процессы рекомбинации, что открывает широкие возможности использования квантоворазмерных р-п-переходов для создания прецизионных детекторов а-частиц и фотоприемников коротковолнового диапазона длин волн.

На основании вышеизложенного может быть сформулирована цель настоящей работы, которая состойла в получении и исследовании квантоворазмерных кремниевых р-п-переходов, содержащих с-амоулорядоченные наноструктуры, а также — в создании на их основе прецизионных детекторов ко-роткопробежных частиц, фотоприемников коротковолнового спектрального диапазона длин волн и транзисторных структур, демонстрирующих эффекты транспорта одиночных электронов и дырок.

В задачи настоящей работы входило изучение следующих вопросов:

- получение сверхмелких кремниевых р-п-переходов с помощью неравновесной диффузии бора и фосфора в условиях ннжекции собственных межузель-ных атомов и вакансий;

- изучение процессов самоупорядочения лрнмесных центров в квантоворазмерных диффузионных профилях с помощью методик оптически индуцированного циклотронного резонанса, квантованной проводимости, а также -температурных зависимостей проводимости и термоэде;

- исследование квантованной проводимости в электрическом поле, приложенном вдоль и поперек плоскости р-п-перехода;

- идентификация моделей самоупорядочивающихся примесных центров внутри квантоворазмерных диффузионных профилей;

- получение кремниевых транзисторных структур на основе квантоворазмерных диффузионных р-п-переходов с целью изучсниЛ процессов транспорта одиночных дырок и электронов при высоких температурах;

- формирование квантоворазмерных кремниевых р-п-переходов, состоящих т контролируемых последовательностей продольных и поперечных квантовых ям, с целью улучшения характеристик детекторов короткопробежиых частиц и кремниевых фотодетекторов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

-6- неравновесная диффузия бора и фосфора в условиях приповерхностной ин-жекции собственных межузельных атомов и вакансий позволила получить сверхмелкие кремниевые р-n-переходы с глубиной диффузионного профиля 5

- 30 им;

- угловые зависимости оптически индуцированного циклотронного резонанса и квантованной проводимости показали, что полученные сверхмелкие кремниевые р-n-переходы состоят из псперечных и продольных квантовых ям, сформированных между двумерными слоями, которые содержат самоупоря-дочениые примесные центры и ориентированы, соответственно, перпендикулярно или параллельно плоскости р-п-перехода;

- исследования температурных зависимостей проводимости и термоэде, а также - ВАХ ступенчатой формы г.оказали, что самоупорядоченные примес-ныг центры на границах кремниевых квантовых ям представляют собой диполи Ох?- симметрии (Б*-В~; Р+-Р~);

-. зарегистрирована квантованная проводимость в электрическом поле, приложенном вдоль полупроводниковой квантовой ямы, что сделало возможным идентификацию образования динамических квантовых проволок вследствие электростатического упорядочения примесных диполей;

- предложенная нанотехнология позволила получить кремниевые транзисторные структуры, демонстрирующие эффекты транспорта одиночных дырок

. к электронов при температуре >77К;

- использование квантоворазмерных кремниевых р-n переходов, состоящих из контролируемых последовательностей продольных и поперечных диффузионных квантовых ям, позволило управлять пространственным разделением неравновесных дырок и электронов, благодаря чему улучшается энергетическое разрешение детекторов короткопробежных частиц.

Положения, выносимые на защиту:

1. Неравновесная диффузия бора и фосфора в условиях приповерхностной икжекции собственных межузельных атомов и вакансий позволила получить сверхмелкие кремниевые р-n-переходы с глубиной диффузионного профиля 5 - 30 нм. . .

Обнаружено, чю ускоренная диффузия бора и фосфора в кремнии возникает при доминировании kick - out или диссоциативного вакансионного механизмов диффузии, которые стимулеругогся,соответственно,при высоких (>1100°С) и низких (<800°С) температурах диффузии за счет увлечения примесных атомов собственными межузельными атомами или вакансиями. Рез-

кое торможение примесной диффузии было достигнуто при средних (~900°С) температурах диффузии и полной аннигиляции собственных межузельных атомов и вакансий, что соответствовало условиям паритета kick - out и диссоциативного вакансионного механизмов диффузии.

2. Угловые зависимости оптически индуцированного циклотронного резонанса и квантованной проводимости показали, что сверхмелкие кремниевые р-п-переходы, полученные с помощью неравновесной диффузии, состоят из поперечных и продольных квантовых ям, сформированных между двумерными слоями, которые содержат самоупорядоченные примесные центры и ориентированы,соответственно;перпендикулярно или параллельно плоскости р-п-перехода. Обнаружено, что поперечные и продольные квантовые я мы образуются, соответственно,при ускорении и торможении примесной диффузии.

3. Исследования температурных зависимостей и термоэдс, а также -ВАХ ступенчатой формы позволили обнаружить энергетическую щель в плотности состояний вырожденного газа дырок и электронов в кремниевых диффузионных квантовых ямах. Показано, что величина обнаруженной энергетической щели определяется зарядовыми корреляциями, локализованными на реконструированных примесных диполях Сзу симметрии ( В* - В'; Р+ - Р~ ) в двумерных слоях, между которыми формируется диффузионная квантовая яма.

4. Зарегистрирована квантованная проводимость, обусловленная упругим обратным рассеянием дырок и электронов в электрическом поле, приложенном вдоль полупроводниковой квантовой ямы. Обнаружено, что ВАХ квантованной проводимости идетифицирует образование динамических квантовых проволок вследствие электростатического упорядочения примесных диполей на границах диффузионных квантовых ям. Предложенная нано-технология сделала возможным создание кремниевых полевых и биполярных транзисторных структур, которые основаны на динамических квантовых проволоках с изолированными квантовыми точками, формирующимися в условиях дополнительно приложенного поперечного электрического поля. ВАХ полученных транзисторных структур демонстрируют эффекты транспорта одиночных дырок и электронов при высоких температурах благодаря рекордно малой емкости квантовых точек v'O"19 Ф)-

5. Использование кван эворазмерных кремниевых р-г переходов, состоящих из конгролируемых последовательностей продольных и поперечных диффузионных квантовых ям, позволяет управлять пространственным разделе-

-8*

кием неравновесных дырок и электронов, что способствует улучшению энергетического разрешения детекторов короткопробежных частиц и увеличению внешней квантовой эффективности фотодиодов, предназначенных для регистрации коротковолнового оптического излучения..

Достоверность полученных результатов подтверждается их воспроизводимостью при исследовании большого количества образцов, а также хорошим соответствием между данными, полученными с помощью различных современных экспериментальных методик.

Научная и практическая значимость работы определяется применением неравновесной примесной диффузии для получения самоупорядоченных наноструктур и сверхмелких кремниевых р-п-переходах и заключается в создании на их основе транзисторных структур, демонстрирующих эффекты транспорта о/ чночных дырок и электронов при температуре > 77К. •

Апробация результатов работа. Результаты проведенных работ докладывались на VII Всесоюзной конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение", Москва, 1988г., Всесоюзной конференции "Фотоэлектрические явления в полупроводниках", Ташкент, 1989г., I Всесоюзной конференции "Физические основы твердотельной электроники", Ленинград, 1989г., Всероссийской конференции по физике полупроводников, С.-Петербург, 1996г., а также на VII Международной конференции "Микроэлектроника-90", Минск, '990г., Международной конференции "Твердотельные приборы и материалы" (SSDM-94), Иокогама, 1994г., на 22-й и 23-й Международных конференциях по физике полупроводников, проходивших,соответственно, в Ванкувере, 1994 . и Берлине, 19Иг., на [V Международной конференции "Применение полупроводниковых детекторов в ядерной физике", Юрмала, 1995г., Международных симпозиумах "Наноструктуры-95", С.-Петербург, 1995г. и "Наноструктуры-56", С.-Петербург, 1996г., IX Международной конференции "Сверхрешетки, микроструктуры и микроприборы", (ICSMM-9), Льеж, 1996г., VII Международной конференции по мелким центрам в полупроводниках (IC-SLCS-?) Амстердам, Нидерланды, 1996г., Международной конференции по диффузии в твердых телах, (DIMAT'96), Нордкирхен, ФРГ, 1996г. и на Международном симпозиуме "Кремний высокой чистоты-4," Сан-Антонио, США, 1996г.

По материалам диссертации опубликовано 16 научных работ, перечень которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и списка цитируемой литературы из 120 наименований!.Общий объем диссертации 170 страниц, в том числе 110 страниц рукописного текста, 58 рисунков, 2 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность настоящей работы, перечислены основные новые результаты, а также - представлена структура диссертации и приведены научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе обсуждаются возможности применения элементов пониженной размерности для улучшения характеристик р-п-переходов, используемых в конструкции прецизионных детекторов короткопробежиых частиц и фото детекторов ультрафиолетового диапазона длин волн.

В первом параграфе приводится анализ процессов возбуждения, транспорта и рекомбинации неравновесных носителей в кремниевом р-п-переходе при оптической накачке и взаимодействии с потоком короткопробежиых частиц. В результате этого рассмотрения получено выражение для спектральной зависимости внешней квантовой эффективности фотодетектора и величины разрешающей способности детектора короткопробежиых ядерных частиц, которые основаны на кремниевых р-п-переходах. При создании приборов этих классов необходимо решать сходные задачи по снижению скорости рекомбинации неравновесных носителей и уьеличеншо ширины области пространственного заряда (ОПЗ), что лежит в основе увеличения как внешней квантовой эффективности, так и разрешающей способности вышеуказанных детекторов.

Показано, что использование квантоворазмерных р-п-переходов, состоящих из контролируемых последовательностей продольных и поперечных квантовых ям, позволяет значительно расширить ОПЗ и обеспечивает пространственное разделение неравновесных носителей, тем самым препятствуя их рекомбинации. Это создает определенные преимущества для применения. квантоворазмерных р-п-пероходов по сравнению с йх монолитными аналогами. Кроме того, кремниевые фотодетекторы, основанные на квантоворазмерных р-п-переходах, должны быть значительно более эффективными в ультрафиолетовой области спектра вследствие резкого снижения величины коэффициента отражения света.

Во втором параграфе анализируется влияние формирования продольных и поперечных квантовых ям на всльт-амперные характеристики и, в частности, на величину темнового тока в квантоворазмерном р-п-переходе. Предлагаются различные комбинации поперечных и продольных квантовых ям внутри р-п-иереходов, способствующие снижению темнового тока.

В заключении главы делается вывод, что по сравнению с монолитными р-п-псрсходами, использование их квантовсразмерных аналогов в конструкции фотодетекторов и детекторов ядерных частиц имеет преимущество, поскольку при этом подавляется рекомбинация неравновесных носителей, расширяется ОПЗ, а также - снижается в широком спектральном диапазоне коэффициент отражения света.

На основании проведенного рассмотрения сформулированы цель и задачи настоящей работы, заключающиеся в получении и исследовании диффузионных чвантоворазмерных р-п-переходов в кремнии.

Вторая глава посвящена решению проблемы получения сверхмелких кремниевых р-п-переходов с помощью неравновесной примесной диффузии.

В первом параграфе рассматриваются принципы неравновесной диффузии бора и фосфора в условиях приповерхностной инжекции собственных межузельных атомов и вакансий. Известно, что коэффициент диффузии легирующей примеси в условиях окисления монокристаллической поверхности определяется вкладом как kick-out (Дг),так и диссоциативного вакансионного (Dy) механизмов диффузии,■ обусловленных обменным взаимодействием атомов легирующей примеси с собственными межузельными атомами и вакансиями,соответственно'

А» =Dl~qi+ ', 0)

где С), Су и СД Су4 - соответственно,концентрации собственных межузель-ных атомов и вакансий, генерируемых окисленной поверхностью, и их равновесные значения, соответственно. Показано, что, варьируя толщиной приповерхностного окисла и температурой понмесной диффузии,можно управлять избыточными потоками собственных межузельных атомов и вакансий и, тем самым, изменять относительный вклад kick-out и диссоциативного вакансионного механизмов диффузии. В условиях паритета двух вышеуказанных механизмов диффузии, который возникает при полной аннигиляции собственных межузельных атомов и вакансий, обеспечивается резкое торможение

днффузии. Демонстрируется также, что поток первичных дефектов, генерируемы» обратной стороной окисленной подложки,может сильно влиять на соотношение концентраций собственных межузельных атомов и вакансий на рабочей стороне подложки, и этот факт необходимо учитывать при проведении процессов диффузии.

Во втором параграфе описывается основной технологический цикл создания сверхмелких диффузионных р-п-переходов в кремнии. Обсуждаются особенности протекания химических реакций, сопровождающих неравновесную примесную диффузию из газовой фазы.

Третий параграф посвящен вопросам определения концентрации легирующей примеси внутри диффузионных профилей с помощью методик прецизионного послойного стравливания легированного слоя при помощи а полного окисления, а также масс-сп"ктроскопни вторичных ионов. Однородность распределения концентрации легирующей примеси по площади диффузионного окна контролировалась при помощи зондирования р-п-переходов электронами малых и средних энергии.

Представлены и анализируются сверхмелкие (5-гЗОнм) диффузионные профили бора и фосфора в кремнии, полученные в условиях приповерхностной инжекции собственных межузельных атомов и вакансий. Обнаружено, что ускоренная диффузия бора и фосфора возникает при высоких температурах диффузии (П00°С) и наличии тонкого окисла на рабочей поверхности, которые стимулируют kick-out механизм диффузии за счет увлечения примесных атомов собственными межузельными атомами, инжектированными поверхностью раздела кремний-окисел, а также - при низких температурах диффузии (800°С) и толстом окисле на рабочей поверхности, которые ответственны за доминирование диссоциативного вакансионного механизма диффузии в условиях интенсивного обменного взаимодействия примесных атомов и инжектированных вакансий. В условиях паритета kick-out и диссоциативного вакансионного механизмов, который оптимально достигается при 900°С и средней толщине приповерхностного окисла, было обнаружено резкое уменьшение глубины р-п-перехода, что свидетельствовало о сильном торможении диффузии бора и фосфора вследствие полной аннигиляции вакансий и собственных межузельных атомов.

Четвертым параграф посвящен изучению процессов ген.рации и отжига дефектов при совмещенном генерировании в кремнии n-тмпа. В ходе эксперимента, на каждой стадии получения р-п-перехода проводилось изучение

микродефектов с помощью методики оптической поляризации ядерных моментов (ОПЯ). Трехступенчатые циклы совмещенного генерирования иссле-дов&чись,как в условиях инжекции собственных межузельных атомов при наличии тонкого окисла на рабочей поверхности, так и - вакансий в присутствии предварительно нанесенного толстого окисла. Обнаружено, что низкотемпературное геттерирование в условиях приповерхностной инжекции вакансий приводит к уменьшению концентрации точечных мелких и глубоких дефектов, индуцированных гетгерирующими микродефектами в рабочей области р-п-перехода. Показано, что по сравнению с известным трехступенчатым геттерированием в условиях инжекции собственных межузельных атомов, совмещенное геттерирование, стимулируемое приповерхностной инжекцией вакансий, дает возможность снизить концентрацию геттерирующих микродефектов при увеличении их размеров и, тем самым, улучшить Динамические характеристики сверхмелких малошумящих р-п-переходов.

Третья глава посвящена вопросам идентификации квантовых ям, возникающих внутри сверхмелких кремниевых р-п-переходов, методами оптически индуцированного циклотронного резонанса (ЦР), кристаллографически ориентированной проводимости и сканирующей туннельной микроскопии (СТМ).

В первом параграфе рассматривается теория циклотронного резонанса доя электронов и дырок в зоне проводимости и валентной зоне,соответствен-но, обсуждаются особенности циклотронного резонанса в сверхтонких полупроводниковых слоях, а также описывается методика проведения эксперименте . Приводятся результаты исследования зависимости сигналов циклотронного резонанса от ориентации внешнего магнитного поля относительно плоскости р-п-перехода. Полученные угловые,зависимости демонстрируют максимальное тушение спектров ЦР для дырок и электронов при параллельной ориентации внешнего магнитного поля относительно плоскости р-п-пере-хода, полученного при температуре диффузии 900°С, тогда как при исследовании р-п-переходов, сформированных при 800°С и 1100°С, аналогичное тушение ЦР наблюдалось в магнитном поле, перпендикулярном к плоскости р-п-перехода.

Анализ показал, что сверхмелкие кремниевые р-п-переходы, полученные с помощью неравновесной диффузии, состоят из поперечных и продольных квантовых ям, сформированных между двумерными слоями, которые содер-

жат самоупорядочеиныс примесные центры и ориентированы,соответственно, перпендикулярно или параллельно плоскости р-н-перехода. Поперечные квантовые <шы, возникающие в условиях ускоренной диффузия, кристаллографически ориентированы,соответственно, вдоль осей {100} и {111} при доминировании диссоциативного вакансионного и kick-out механизмов диффузии. Продольные квантовые ямы (параллельные плоскости р-п-перехода) образуются в условиях сильного торможения диффузии бора и фосфора в условиях паритета вышеназванных механизмов диффузии.

Во втором параграфе представлены данные исследований кристаллов графически ориентированной проводимости путем измерения ВАХ р-п-пере-ходов, на которых методом фотолитографии была сформирована система кристаллографически ориентированных равномерно расположенных друг относительно друга металлизированных точек,как на лицевой/гак и на обратной стороне образца. Напряжение прикладывалось к паре точек, по относительному расположению которых можно было судить об угле между кристаллографическим направлением и осью приложения электрического поля. Результаты исследования кристаллографически ориентированной проводимости демонстрирует ее максимальную величину вдоль оси <011> при приложении напряжения в плоскости р-п-переходов, полученных при 900°С, тогда как р-п-переходы, реализованные при 800°С и 1100°С обнаруживали максимальную проводимость при кристаллографически ориентированном прямом / обратном напряжении, приложенном соответственно, вдоль осей <100> и <11!>. Полученные результаты находятся в хорошем согласии с данными ЦР и подтверждают образование продольных и поперечных квантовых ям внутри сверхмелких кремниевых р-п-переходов. Дополнительная идентификация формирования квантовых ям в процессе неравновесной примесной с диффузии была также проведена с помощью СТМ, данные которой также согласуются с поведением главных зависимостей ЦР.

В четвертой главе представлены результаты исследований термоэлектрических и электрических свойств сверхмелких кремниевых р-п-переходов.

Параграф первый посвящен изучению температурной зависимости удельного сопротивления диффузионных р+-п-переходов, состоящих как из продольных,так и из поперечных квантовых ям. Показано, что двумерный газ носителей тока может проявлять как металлические, так и диэлектрические свойства, относительный вклад которых определяется уровнем легирования и размерами диффузионных квантовых ям.

Во втором параграфе представлены результаты исследования термоэдс (температурные зависимости коэффициента Зеебека), позволяющие определить наличие лнергетической щели в плотности состояний вырожденного дырочного или элек тронного газа, поскольку при наличии такой щели коэффициент Зеебека /а/ уменьшается с ростом Т.

где Л Е- величина энергетической щели. В результате была обнаружена энергетическая щель в плотности состояний вырожденного газа дырок и электронов в продольных или поперечных диффузионных квантовых ямах. Кроме того, обнаруженные зависимости коэффициента Зеебека от температуры свидетельствуют, что величина энергетической щели может изменяться вдоль плоскости диффузионной квантовой ямы вследствие флуктуации в распределении самоупорядоченных примесных центров на ее границах.

В третьем параграфе анализируются ВАХ ступенчатой формы сверх-уелких р-п-переходов, позволившие не только обнаружить энергетическую щель в плотности состояний двумерного дырочного газа, но и определить ее величину.

Четвертый параграф посвящен анализу данных, приведенных в параграфах 1-3. Полученные результаты свидетельствуют о сильном влиянии зарядовых корреляций, локализованных на самоупорядоченных примесных центрах, на электрические свойства диффузионных квантовых ям. В рамках модели, предложенной для зарядовых корреляций, ответственных за возникновение энергетической щели в плотности состояний вырожденного двумерного газа дырок и электронов, самоупорядоченные примесные центры представляют собой диполи С ¡у симметрии (В* - В'; Р^ • Р~), формирующиеся в процессе неравновесной диффузии как результат реконструкции мелких акцепторов или доноров в эквивалентных кристаллографических направлениях [111], которая сопровождается их самокомпенсацией: 2В"~■> В+ + В'; 2Р" —> Р* + Р~.

Установлено, что в зависимости от степени беспорядка в распределен,ш примесных диполей на границах диффузионных квантовых ям, вырожденный газ носителей тока может изменять свой режим от сильнокоррелнрованного металла до слабой локализации, проявляя двумерные свойства только в слабом электрическом поле.

посвящена исследованиям электрических свойств п'-р+-а-|р ннисюрных структур, ноющих специальную топологию и сосюяших из

продольных и поперечных квантовых ям, характеристика которых дана в первом параграфе.

Во втором параграфе представлены результаты по обнаружению и исследованию высокотеыл гратурной (77К) квантованной проводимости, обусловленной упругим обратным рассеянием дырок или электронов в кристаллографически ориентированном электрическом поле, приложенном вдоль полупроводниковой квантовой ямы. Обнаружено, что кристаллографическая ориентация внешнего электрического поля в плоскости диффузионной квантовой ямы определяет величину квантовых ступенек в полевой зависимости проводимости, тем самым демонстрируя относительный вклад различных долин зоны проводимости кремния в процессы упругого обратного рассеяния :.оси-телен тока. ВАХ квантованной проводимости в плоскости диффузионной квантовой ямы ориентации (100) выявили двухкратное увеличение-квантовых ступенек при изменении ориентации электрического поля между кристаллографическими осями {100} и {110} (а =4е2Л:, Е// {100} ; а =8е2Л, Е1 ¡{ПО}), что однозначно свидетельствует о трансформации диффузионных квантовых ям в систему параллельных динамических квантовых проволок, ориентированных вдоль направления внешнего электричесхого поля.

В третьем параграфе обсуждаются возможности предложенной нано-технологии при изучении зарядовых эффектов дискретных дырок при высокой температуре (77К и 300К). Показано, что динамические квантовые проволоки индуцируются внутри диффузионных квантовых ям вследствие, электростатического упорядочения примесных диполей на их границах вдоль направления внешнего электрического поля. Температурная зависимость удельного сопротивления также подтверждает понижение размерности вырожденного га;а дырок и электронов условиях образования динамических квантовых проволок при увеличении внешнего электрического пода, что проявляется в исчезновении известной логарифмической зависимости сопротивления от температуры, которая соответствует режиму слабой локализации двумерного газа электронов и дырок в слабом электрическом поле.

Исследование квантованной проводимости в продольных и поперечных квантовых ямах показало, что последовательности квантовых ступенек в ВАХ возникают в результате упругого рассеяния дырок на зарядовых корреляция* в местах флуктуации в распределении примесных диполей вдоль динамических квантовых проволок. Причем, каждая квантовая ступенька является следствием единичной флуктуации, представляющей собой нарушение» сие-

теме электростатически упорядоченных примесных диполей. ВАХ квантованной проводимости в условиях дополнительно приложенного поперечного электрического поля позволили обнаружить (при Т=77К, 300К) трансформацию последовательности квантовых ступенек в "лестницу" кулоновских пиков, которая идентифицирует возникновение изолированных квантовых точек с емкостью -Ю"19 Ф в местах нарушения электростатического упорядочения примесных диполей. Кроме того, были обнаружены осцилляции тока вдоль динамической квантовой проволоки в зависимости от поперечного напряжения на затворе, что позволяет идентифицировать перенос одиночных носителей в п+-р'-п- транзисторах, основанных на диффузионных наноструктурах.

Глава шестая посвящена проблеме создания детекторов короткопро-бежных частиц и фотоприемников широкого спектрального диапазона на основе кваитоворазмерных кремниевых диффузионных р+-п-переходов. Для обоих классов таких приборов существенным являются низкие значения темповых токов. Поэтому первый параграф посвящен исследованию ВАХ сверхмелких кваитоворазмерных р'-п-переходов.

Проанализировано влияние различных комбинаций продольных и поперечных квантовых ям на величину темнового тока. Рассмотрено также поведение ВАХ квантоиоразмерных р+-п-переходов в зависимости от соотношения концентраций бора и хлора в процессе проведения диффузии из газовой фазы, которое определяет величину флуктуаций легирующей примеси вблизи границ диффузионных квантовых ям. Полученные результаты показывают, что р+-1ьпереходы, состоящие преимущественно из продольных квантовых ям, характеризуются низкими темповыми токами.

Во втором параграфе рассмотрена проблема создания кремниевых детекторов короткопробежных частиц. Описываются методики измерения эксплуатационных параметров, характеризующих работу прибора. Приведены результаты измерений детекторных структур на основе сверхмелкнх кремниевых р+-п-переходов, демонстрирующие возможности кваитоворазмерных структур в приборах, для регистрации ядерных излучений. Показана необходимость использования в конструкции детектора а-частиц контролируемой последовательности продольных и поперечных диффузионных квантовых ям, позволяющей резко снизить темп поверхностной рекомбинации и значитель-. но уменьшить темповой ток за счет пространственного разделения неравновесных электронов и дырок, благодаря чему были реализованы прецизионные кремниевые планарные детекторы короткопробежных частиц с разрешающей

-17-

способностыо, близкой к теоретической..

Третий параграф посвящен исследованию спектральных характеристик коэффициента отражения света от различных комбинаций продольных и поперечных р+-квантовы>: йм на поверхности кремния (IQQ) n-типа. Обнаружено, что коэффициент отражения резко снижается в ультрафиолетовой области спектра вследствие формирования приповерхностных наноструктур. Спектральные зависимости коэффициента отражения, полученные в условиях внешнего электрического поля, демонстрируют метастабильное поведение вследствие долговременных процессов туннелированкя носителей тока между соседними квантовыми ямами.

Четвертый параграф затрагивает вопросы увеличения внешней квантовой эффективности сверхмелких р+-п-переходов за счет оптимизации условий неравновесной примесной диффузии, различные варианты которых предлагались в первой и второй главах. Полученные результаты свидетельствуют, что реализация контролируемой последовательности продольных и поперечных квантовых ям позволила резко расширить спектральный диапазон кремниевых фотодиодов за счет снижения коэффициента отражения света в коротковолновой области спектра и подавления процессов рекомбинации неравновесных носителей.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Неравновесная диффузия бора и фосфора в условиях приповерхностной инжекции собственных межузельных атомов и вакансий позволила получить сверхмелкие кремниевые р-п-переходы с глубиной диффузионного профиля 5+30 нм.

Обнаружено, что ускоренная диффузия бора и фосфора в кремнии возникает при доминировании kick-out или диссоциативног о вакансионного механизмов диффузии, первый из которых стимулируются при высоких (>Н00°С), а второй - при низких (<800°С) температурах диффузии за счет увлечения примесных атомов собственными межузельными атомами или вакансиями, инжектированными,соответственно, поверхностью раздела кремний-тонкий окисел и кремний-толстый окисел. Резкое торможение примесной диффузии наблюдается в условиях паритета kick-out и диссоциативного вакансионного механизмов диффузии, который оптимально достигается при средних (-900°С) температурах диффузии и полной аннигиляции собственных межузельных атомов и вакансий. Впервые разработаны режимы низкотемпературного генерирования при инжекции вакансий, что позволило совместить

геггерирование в рамках планарйой технологии с процессами неравновесной примесной диффузии.

2. Угловые зависимости оптически индуцированного циклотронного резонанса и квантованной проводимости показали, что сверхмелкие кремниевые р-п-переходы, полученные с помощью неравновесной диффузии, состоят из поперечных и продольных квантовых ям, сформированных между двумерными слоями, которые содержат самоупорядоченные примесные центры и ориентированы .соответственно, перпендикулярно и параллельно плоскости р-п-перехода.

Обнаружено, что поперечные квантовые ямы возникают в условиях ускоренной диффузии вдоль кристаллографических направлений {111} и {100} при домпнцр с паи и и, соответственно, ккк-ош и диссоциативного вакан-сиоиного механизмов диффузии, тогда как продольные квантовые ямы образуются при резком торможении примесной диффузии.

3. Исследования температурных зависимостей проводимости и термо-эде, а также - ВАХ ступенчатой формы позволили обнаружить энергетическую щель в плотности состояний вырожденного газа электронов и дырок в кремниевых диффузионных квантовых ямах. Показано, что величина обнаруженной энергетическсй щели определяется зарядовыми корреляциями, локализованными на самоупорядоченных примесных центрах, которые представляют собой реконструированные примесные диполи (^--симметрии (В*-В'; Р*-Р~). Установлено, что в зависимости от степени беспорядка в распределении примесных диполей на границах диффузионных квантовых ям, вырожденный газ носителей тока может изменять свой режим от сильнокоррелированного металла до слабой локализации.

4. Зарегистрирована квантованная проводимость, обусловленная упругим обратным рассеянием дырок и электронов в кристаллографически ориентированном электрическом поле, приложенном вдоль полупроводниковой квантовой ямы. Обнаружено, что последовательности квантовых ступенек в полевых зависимостях проводимости являются результатом образования динамических квантовых проволок, которые индуцируются внутри диффузионных квантовых ям вследствие электростатического упорядочения примесь^х диполей на их границах. Причем, ВАХ квантованной проводимости в условиях дополнительно приложенного поперечного электрического поля идентифицирует возникновение изолированных квантовых точек в местах нарушений электростатического упорядочения примесных диполей.

Предложенная нанотехнология позволила получить кремниевые полевые и биполярные транзисторные структуры, демонстрирующие эффекты перенос." одиночных дырок и электронов при температуре >77К.

5. Использование квантоворазмерных кремниевых р-п-переходов, состоящих из контролируемых последовательностей продольных и поперечных диффузионных квантовых ям, позволяет управлять пространственным разделением неравновесных дырок и электронов, что способствует улучшению энергетического разрешения детекторов короткопробежных частиц и увеличению внешней квантовой эффективности фотодиодов, предназначенных для регистрации коротковолнового оптического излучения

Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях:

1. N.T. Bagraev, L.E. Klyachkin, A.M. Malyarenko, V.L. Sukhanov. "Quantum-size p-n junctions in silicon." Sol.-St. Electron., 199!, v.34, № 10, p. 1149-1156.

2. H.T. Баграев, Л.Е. Клячкии, A.M. Маляренко, В.Л. Суханов. "Фрактально-диффузионные р-п-переходы в кремнии." ФТП, 1991, т. 25, в. 4, с. 644-654.

3. Н.Т. Баграев, Л.Е. Клячкгн, A.M. Маляренко, И.С. Половцев, В.Л. Суханов. "Генерация и отжиг дефектов при совмещенном генерировании в кремнии п-типа. 1. Генерирующие микродефекты." ФТП, 1990, т.24, в. 9, с.1557-1562.

4. Н.Т. Баграев, Л.Е. Клячкин, A.M. Маляренко, И.С. Половцев, В.Л. Суханов. "Генерация и отжиг дефектов при совмещенном генерировании в кремнии п-типа. 2. Точечные дефекты, индуцированные генерирующими микродефектами." ФТП, 1990, т.24, в.9, с. 1563-1573.

5. N.T. Bagraev, E.I. Chaikina, L.E. Klyachkin, A.M. Malyarenko, V.L. Sukhanov. "Si and SiC Quantum well p-n Junction and n-p-n Transistor Structures." Proc. of the 22nd Int. Conf. on Phys. of Sem. (ICP3), Vancouver, 1994,, p. 1596-1599.

6. Н.Т. Баграев, E.B. Владимирская, В.Э. Гасумянц, В.И. Кайданов, В.В. Кве-дер, Л.Е. Клячкин, A.M. Маляренко, Е.И. Чайкина. "Переход металл-диэлектрик в сильнолегированных р+-квантовых ямах на поверхности кремния п-типа." ФТП, 1995, т.29, в.12, с.2133-2157.

7. Н.Т. Баграев, Е.В. Владимирская, В.Э. Гасумянц, В.И. Кайданов, В.В. Квс-дер, Л.Е. Клячкин, A.M. Маляренко, А.И. Шалынин. "Сильные Зарядовые корреляции в р+-квантовых ямах на поверхности кремния п-типа." Ф'ГТ, 1995, т. 37, № 10, с. 142-147.

8. N.T. Bagraev, L.E. Klyachkin, A.M. Malyarenko." Heavily doped silicon quantum dots for single electron devices." Ext. Abs. Int. Symp. "Nanostructures-95: Phys. and Techno!." St. Petersburg, 1995, p. 280-283.

-209. W. Gehlhoff, К. Urmscher, N.T: Bagraev, L.E. Klyachkin and A.M. Malyarenko. "Cyclotron resonance and crystallografically-oriented quantized conductance in diffusion quantum wells." Ext. Abs. Int. Symp. "Nanostructures-96: Physics and Technology." St.-Petersburg, 1996, p. 416-419.

!0. W. Gehlhoff, K. Urmscher, N.T. Bagraev, L.E. Klyachkin and A.M.Malyarenko. " Shallow center in heavily doped silicon quantum wells." Proc. 7th Int. Conf. on Shallow Level Centers in Sem. (IC-SLCS-7), Amsterdam, 1996, ed, by C. A. J. Ammerlaan and B.Pajot, World Scientific, Singapore, 1997, p. 227232.

11. N.T. Bagraev, L.E. Klyachkin, A.M. Malyarenko, V.E. Gasumyants and E.V. Vladimirskaya. '"Weak localization in natural diffusion silicon quantum wires. "Ext. Abs. Int. Symp. "Nanostructures-96: Physics and Technology." St.-Petersburg, 1996, n. 408-411.

12. N.T. Bagraev, L.E. Klyachkin, A.M. Malyarenko. "High temperature singlehole silicon transistors." ."Ext. Abs. Int. Symp. "Nanostructures-96: Physics and Technology." St.-Petersburg, 1996, p. 404-407,.

13. N.T. Bagraev, W. Gehlhoff, K. Urmscher, L.E. Klyachkin and A.M. Malyarenko. "High temperature single-hole transport in silicon quantum wires. "

v Proc. of the 23ed Int. Conf. on Phys. of Sem. (ICPS), Berlin, 1996, v.2, p.1241-1244.

14. E. M. Вербицкая, В.К. Еремин, И.Н. Иляшенко, A.M. Маляренко, Н.Б. Строкан. "Экспрессный анализ смеси трансурановых элементов с помощью кремниевых детекторов высокого энергетического разрешения." ПТЭ, 1997, № 3, с. 50-53.

15. Е. М. Вербицкая, В.К. Еремин, A.M. Маляренко, Н.Б. Строкан, B.JI. Суханов, Б. Шмидт, И.Борани. "Прецизионная полупроводниковая спектроскопия ионов." ФТП, 1993, т. 19, в. 6, с.2055-2070.

16. V. Eremin, I. Ilyashenko, A. Malyarenko, N. Strokan, and E. Verbitskaya. "Detectors with uUrathin entrance windows for precise measurements with ioijs manufactured by diffusion in high purity silicon." Electrochem. Soc. Proceedings, 1996, v.96-13, p.395-406.