WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 6 Резонансный перенос носителей заряда через ловушечные состояния в диэлектрике в периодических наноструктурах Si/CaF2 ¶ © Ю.А. Берашевич, А.Л. Данилюк, В.Е. Борисенко Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, 220013 Минск, Белоруссия (Получена 4 октября 2001 г. Принята к печати 23 ноября 2001 г.) Предложена модель туннельно-резонансного переноса носителей заряда через дискретный ловушечный уровень в диэлектрике в периодических наноразмерных структурах Si/CaF2. Необходимым требованием туннельно-резонансного переноса при приложении внешнего смещения к структуре является совпадение энергии носителей заряда в яме кремния с энергетическим положением уровня ловушек в диэлектрике. Показано, что заполнение ловушечных состояний в диэлектрике и нарушение условий туннельно-резонансного переноса носителей через уровень ловушек при превышении энергии носителей в яме уровня ловушек в диэлектрике приводит к спаду токопереноса через структуру и образованию области отрицательного дифференциального сопротивления на вольт-амперных характеристиках периодических структур Si/CaF2.

В результате моделирования данного эффекта было обнаружено, что преимуществами приборов на основе периодических структур кремний/диэлектрик являются широкий диапазон рабочих температур 77-300 K и возможность совмещения с кремниевой технологией изготовления интегральных схем.

1. Введение ОДС возникает из-за накопления заряда в диэлектрике при переносе носителей заряда через дискретный уроНаноразмерные структуры, образующие систему кван- вень ловушек и исчезает при незначительном снижении товых ям, привлекают все больший интерес иссле- температуры. Однако изучение тех же структур другой дователей и инженеров, что связано с перспективой группой экспериментаторов [7,8] выявило поведение, построения на их основе твердотельных приборов, ис- характерное для резонансного транспорта носителей запользующих квантово-размерные эффекты [1]. Начиная ряда через структуру как при комнатных температурах, с 70-х годов огромное внимание уделяется периоди- так и при температуре жидкого азота (77 K). Тем не ческим структурам на основе полупроводников типа менее адекватного объяснения, согласующего условия AIIIBIV [1–3]. В данных структурах впервые был теоре- измерения и электрофизические параметры структуры тически предсказан [3], а позднее и экспериментально с механизмом резонансного переноса носителей заряда получен эффект резонансного туннелирования [4], отве- в этих структурах, не было предложено.

чающий за участок отрицательного дифференциального Данная работа посвящена разработке модели транссопротивления (ОДС) на их вольт-амперных характери- порта носителей заряда в периодических наноструктурах стиках (ВАХ) в результате квантования энергетических Si/CaF2, описывающей появление условий для резонансуровней в потенциальной яме, образованной полупро- ного переноса и возникновение ОДС.

водником с более узкой запрещенной зоной. На основе данного эффекта стало возможно построение логиче2. Модель ских элементов с высоким быстродействием, ограниченным только временем резонансного туннелирования Ограничение тонкого слоя кремния слоями широконосителей заряда через барьер. Тем не менее резнанснозонного диэлектрика CaF2 образует систему, где дитуннельные структуры имеют ряд недостатков: низкие электрик выполняет функцию потенциального барьера, рабочие температуры для соблюдения условий квантоваа кремний — квантовой ямы. В структурах кремния уровней в яме и несовместимость технологий полуний/диэлектрик условия квантования уровней в потенчения резонансно-туннельных структур на основе полуциальной яме нарушены наличием дефектов на границах проводников типа AIIIBIV с хорошо развитой кремниевой раздела материалов, концентрация которых достигает технологией изготовления интегральных микросхем.

1026 м-3 [9]. Однако в ряде экспериментальных работ Обнаружение участка отрицательного дифференцибыло выявлено появление резонансного пика на ВАХ ального сопротивления на ВАХ периодических Si/CaF2в структурах Si/CaF2. Толщина слоя полупроводника в структур [5] при комнатной температуре продемонстриэтих структурах варьировалась в пределах 2.8-3.4нм.

ровало перспективу для создания логических устройств Резонанс наблюдался как при комнатных температурах, на базе кремниевой технологии и подтолкнуло к интак и при температуре жидкого азота (77 K), причем тенсивному изучению квантово-размерных структур на отношение максимального тока к току в минимуме основе кремния [6]. В данном случае при детальном ОДС не снижалось с ростом температуры, что наизучении этого эффекта было установлено, что участок блюдается в результате уширения резонансного уровня ¶ E-mail: julia@nano.bsuir.edu.by в яме для резонансно-туннельных структур на основе Резонансный перенос носителей заряда через ловушечные состояния в диэлектрике... полупроводников AIIIBIV [4]. Условия, при которых были получены эти данные, а именно комнатные температуры, значительные размеры потенциальной ямы, наличие рассеяния носителей заряда на границах раздела исключают появление резонансно-туннельного механизма переноса носителей заряда с участием резонансных уровней в квантовой яме.

В то же время, как было отмечено в наших предыдущих исследованиях [10], посвященных транспорту носителей заряда в периодических структурах Si/CaF2, в подобных системах преобладает перенос носителей заряда через ловушечные состояния в слоях диэлектрика. Уровень ловушек предположительно образован дефектами кристаллической решетки и по экспериментальным данным этот уровень с концентрацией ловушек Nt 1025 м-3 является дискретным [9]. Как показали исследования механизмов ионизации излучением глубоких Рис. 1. Энергетическая диаграмма двухпериодной структуры ловушечных состояний в различных материалах [14] при кремний–диэлектрик, процессы переноса и рекомбинации ноусловии, когда вероятность активационного процесса сителей заряда в ней: 1 — перенос по ловушечным состояниям ионизации ловушечного состояния намного меньше, чем в диэлектрике, 2 — упругое туннелирование через потенциальный барьер, 3 — межзонная рекомбинация.

вероятность туннелирования носителей заряда с этого состояния, последний механизм является преобладающим. В периодических структурах Si/CaF2 уровень электронных ловушек в диэлектрике является глубоким Распределение потенциала в структуре учитываем с и располагается вблизи зоны проводимости кремния [9], помощью уровнения Пуассона [10].

поэтому вероятность активационного захвата носителей При приложении внешнего смещения, когда носизаряда на него из зоны кремния высока. Энергия ионители заряда в зоне проводимости кремния находятся зации таких ловушек, даже для электронов, лежит в ниже уровня ловушек в диэлектрике Et, темп захвата пределах 3 эВ и вероятность активационного переноса носителей заряда на ловушку j = 1, который прямо носителей заряда с ловушки на ловушку незначительна пропорционален концентрации пустых ловушек, может по сравнению с туннелированием захваченных носибыть записан как [12] телей через барьер толщиной, сравнимой с постоянной решетки метериала. Следовательно, полагаем, что D(S) преобладающий механизм переноса носителей заряда gt = SvT nNt, (1) 1 + D(S) в периодических структурах кремний/диэлектрик при воздействии внешнего электрического поля состоит в где S — сечение захвата носителей заряда на ловушактивационном захвате носителей заряда из зоны провоку; v — тепловая скорость носителей заряда, n — димости кремния на граничные состояния ловушечного концентрация носителей в зоне проводимости кремния;

уровня в диэлектрике j = 1 и в последующем их qS — энергия носителей в яме, зависящая от распреперемещении по ловушечным состояниям посредством деления потенциала в структуре; D(S) — функция затуннельных переходов. Идентичность ловушечных уровполнения ловушечных состояний носителями заряда для ней в диэлектрике предполагает сохранение энергии и случае однородного пространственного распределения импульса переносимых таким образом носителей. Это ловушек, равная [12] приводит к резонансному характеру этого транспортного процесса.

Et - qS D(S) =g exp -, (2) Энергетическая диаграмма двухпериодной структуры kBT Si/CaF2 при приложении внешнего смещения и рассматриваемые механизмы переноса электронов и дырок где g — фактор вырождения ловушек, kB — постоянная в ней показаны на рис. 1. Кроме переноса носителей Больцмана, T — абсолютная температура.

заряда через уровень ловушек в диэлектрике, в моПри внешнем смещении, когда носители заряда имеют дель включено также упругое туннелирование, которое энергию, сравнимую с уровнем ловушек в диэлектрике, неизменно присутствует в периодических структурах с практически все ловушечные состояния заполнены и чередующимися потенциальными барьерами и ямами.

темп захвата электронов из зоны проводимости кремния Вероятность упругого туннелирования определяем в определяется как рамках аппроксимации Вентцеля–Крамерса–Бриллюэна (ВКБ) [12]. В отсутствие внешнего смещения форму D(S) gt = SvT nNt 1 -. (3) потенциальных барьеров предполагаем прямоугольной.

1 + D(S) Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 720 Ю.А. Берашевич, А.Л. Данилюк, В.Е. Борисенко Захваченные носители заряда на первую ловушку где m дискретного уровня ( j = 1) в диэлектрике перемещаj-nb2(t) = nj,b2(0) · 1 - exp(-t/t) · exp (-t/t) ются по ловушечному уровню посредством туннельноj=резонансных переходов. Определение вероятности таких переходов подробно описано в работе [13], m + nw(t) 1 - exp(-t/a) 1 - exp(-t/t), (6) Одним из важных параметров, характеризующих элекa тронные приборы, является их быстродействие. В рассматриваемом случае перенос носителей через потенциnw(t) =nw(0) 1 - exp(-t/1) + nb1(t) альный барьер является многоступенчатым процессом.

Для определения быстродействия приборов на основе + nk1 1 - exp(-t/VKB), (7) VKB периодических структур кремний/диэлектрик необходимо учитывать временные характеристики процессов акRa + Rtun + tuna -тивационного захвата носителей заряда на ловушечный 1 =, (8) Ratun уровень, их туннельный перенос по ловушкам, межзонpkную рекомбинацию и упругое туннелирование. Описание R = R0. (9) указанных процессов производим с помощью системы pw кинетических уравнений:

Для первого барьера концентрация носителей заряда для слоя кремния:

на m ловушечном состоянии nm(b1)(t) записывается анаdnk1 nk1 nk1pk1/pk2 nkлогично выражению (6).

= Gn - - -, dt a R0 VKB При определении вероятности захвата носителей на ловушки из зоны проводимости кремния, а также при dnw nj=m,b1 nk1 nw nw pw/pk2 nw их туннелировании по ловушкам необходимо дополни= + - - -, dt t VKB a R0 VKB тельно учитывать плотность свободных ловушек. При ступенчатом росте внешнего смещения происходит наdnk2 nj=m,b2 nw nk2pk2/nk= + - ;

копление захваченных носителей заряда на ловушках dt t VKB Rи уменьшение концентрации пустых ловушек. В имдля j = 1 ловушки в 1 и 2 слое диэлектрика:

пульсном режиме во время подачи импульса t заряд dnj+1,b1(2) nj,b1(2) nj+1,b1(2) накапливается, при отсутствии импульса происходит = - ; (4) разряд заполненных ловушечных состояний, при этом dt t t темп генерации носителей заряда на инжектирующем для j = 1 ловушки в 1 и 2 слое диэлектрика:

контакте принимается равным 0. Для переноса дырок dn1,b1(2) nk1(w) n1,b1(2) через структуру записывается аналогичная система ки= -, dt a t нетических уравнений.

Величину тока, протекающего через структуру, опрегде j = 1... m — номер ловушки на траекториии деляем из концентрации электронов, прошедших на движения носителей заряда по ловушечному уровню;

второй контакт nk2, и дырок, прошедших на первый Gn — темп генерации электронов на контакте n-типа k1;

контакт pk1, с учетом распределения потенциала по nb1, nb2 — концентрация носителей заряда на ловушструктуре [10]. Предполагаем, что уровни ловушек для ках в первом и во втором барьере соответственно;

электронов Et относительно дна зоны проводимости и a = n/gt — время захвата носителей заряда на ловушдырок относительно потолка валентной зоны кремния ки, t =(0Dtun)-1 — время туннелирования носителей равны 0.1 эВ, толщина диэлектрика составляет 1.5 нм.

заряда с одной ловушки на другую с вероятностью Dtun;

Концентрация носителей на электронном и дырочном 0 — частота локальных колебаний носителей заряда контактах полагается равной nk1 = pk2 = 5 · 1023 м-3.

( 1012 с-1 [11]); VKB = (0DVKB)-1 — время упругого туннелирования носителей заряда через барьер, определяемое вероятностью туннелирования DVKB [11];

3. Результаты моделирования R0 — время излучательной рекомбинации. В случае, когда j = 1, для первого (второго) барьера Основными параметрами, контролирующими процесс nj,b1(b2) nk1(w) переноса носителей заряда в структурах Si/CaF2 че=.

t a рез дискретный ловушечный уровень в диэлектрике, являются соотношение концентраций носителей заряда Нами получено решение системы кинетических уравна контактах и концентрация ловушек, а также закон нений (4) при наличии внешнего смещения для нестациизменения внешнего смещения и соотношение вероятонарного случае в виде ностей захвата и туннельного перехода носителя заряда nk2(t) =nk2(0) +nb2(t) с ловушки в яму. Поэтому численное моделирование ВАХ исследуемых структур проводилось с учетом пе+ nw(t) 1 - exp(-t/VKB), (5) речисленных факторов.

VKB Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. Резонансный перенос носителей заряда через ловушечные состояния в диэлектрике... упругого туннелирования носителей через барьер [система уравнений (4)].

На рис. 2 представлены результаты расчета ВАХ двухпериодной структуры Si/CaF2 для различных концентраций ловушек в диэлектрике. Увеличение концентрации ловушек, при простоянном значении концентрации носителей заряда на контактах и постоянных параметрах структуры, влечет за собой рост плотности тока через структуру. Как следствие, происходит увеличение тока в максимуме и отношения максимального тока к минимальному току в области ОДС Jmax/Jmin. При этом максимум тока смещается в сторону больших внешних смещений. Это происходит за счет роста концентрации носителей заряда, необходимых для заполнения всех ловушек, чем и обусловливается уширение токового пика.

Рис. 2. Влияние концентрации ловушек на ВАХ двухпериКроме того, на накопление заряда влияет также одной структуры Si/CaF2 при T = 300 K, t = 5 · 10-8 с, продолжительность шага t приложения смещения Vstep Vstep = 0.1В, Nt, м-3: 1 —3 · 1024, 2 —5 · 1023, 3 —1023.

в пошаговом режиме подачи внешнего смещения. Результаты расчета вольт-амперных характеристик двухпериодной структуры Si/CaF2 в зависимости от Vstep представлены на рис. 3. Так, уменьшение шага Vstep смещает наступление резонансного условия в структуре в сторону больших смещений, в результате увеличивается пиковый ток и отношение Jmax/Jmin.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.