WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 8 Кулоновское блокирование проводимости пленок SiOx при одноэлектронной зарядке кремниевой квантовой точки в составе цепочки электронных состояний © М.Д. Ефремов¶, Г.Н. Камаев, В.А. Володин, С.А. Аржанникова, Г.А. Качурин, С.Г. Черкова, А.В. Кретинин, В.В. Малютина-Бронская, Д.В. Марин Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия (Получена 27 декабря 2004 г. Принята к печати 12 января 2005 г.) Проведены исследования электрофизических характеристик структур металл–окисел–полупроводник (МОП) со встроенными кремниевыми наночастицами в слое диоксида кремния. Формирование нанокристаллов осуществлялось путем распада пересыщенного твердого раствора имплантированного кремния в процессе термообработок при температурах 1000C. При азотной температуре экспериментально обнаружена ступенеобразная вольт-амперная характеристика МОП структуры с нанокристаллами кремния в окисном слое. Ступенеобразная вольт-амперная характеристика впервые количественно описана в рамках модели, предполагающей осуществление транспорта заряда по цепочке локальных состояний, содержащей нанокристалл кремния в своем составе. Наличие ступеней объясняется одноэлектронной зарядкой нанокристалла кремния и кулоновским блокированием вероятности прыжка с ближайшего локального состояния в цепочке проводимости. Предполагается, что локальные состояния в окисном слое связаны с избыточной концентрацией кремния в нем. Наличие таких состояний в окисле кремния подтверждается данными измерений дифференциальных проводимости и емкости. Для имплантированных кремнием МОП структур наблюдается увеличение дифференциальных емкости и проводимости по отношению к контрольным структурам в области смещений более 0.2 В. В этой же области напряжений при воздействии ультрафиолетовым излучением изменение заполненния состояний в цепочках проводимости обусловливает уменьшение проводимости структур.

1. Введение с другим более широкозонным материалом. Последний случай соответствует нанокристаллу кремния в диэлекПленки диоксида кремия с нанокристаллами кремния трическом окружении. Сопоставление результатов для рассматриваются в настоящее время в качестве пер- тех и других вариантов расчета актуально и в принципе спективного материала для создания одноэлектронных позволяет определить феноменологические параметры транзисторов и элементов памяти, в которых плавающий приближения эффективной массы, которые достаточно затвор заменяется нанокристаллическими включениями точно могут описать структуру электронных уровней кремния. Нанокристаллы кремния в окисле кремния явнанокристаллов кремния в различном диэлектрическом ляются „глубокими“ квантовыми точками, люминесциокружении.

рующими при комнатной температуре за счет эффектов Малые размеры нанокристаллов могут обеспечить размерного квантования носителй заряда в них [1,2]. Как малые емкости переходов в двухбарьерной системе, электрические, так и оптические свойства нанокристалдостаточные для наблюдения эффекта „кулоновской блолов кремния привлекают повышенный научный интекады“. В ряде экспериментов были обнаружены эфрес [3]. Эти свойства в значительной степени опредефекты, которые объяснялись особенностями транспорта ляются спектром электронных состояний в нанокристалзаряда через квантовые состояния, локализованные в лах. Теоретическому изучению электронного спектра понанокристаллах кремния [8].

священо значительное количество работ [4–7]. Прямые Высокие потенциальные барьеры на границе раздела квантово-мехнические методы расчета применяются для кремний–диоксид кремния (3.2 и 4.34 эВ для электронов нанокристаллов кремния малых размеров — менее 1 нм.

и дырок соответственно) могут обеспечить проявление Для больших размеров применение данных методов квантово-размерных свойств нанокристаллов кремния затруднено вычислительными возможностями современдаже при комнатной температуре. Однако с ростом ной техники, и в качестве метода расчета применяется высоты барьеров вероятность туннелирования через тонприближение эффективной массы. Следует отметить кий слой окисла кремния экспоненциально падает. Это также, что прямые квантово-механические методы предзатрудняет создание туннельно-тонких стенок переходов.

полагают пассивацию нанокристаллов водородом, а это Вместе с тем, если обеспечить транспорт электронов соответствует случаю изолированных нанокристаллов через поверхностные или локализованные состояния за кремния, тогда как при решении задачи методом эффексчет многократных актов туннелирования с сохранением тивной массы предполагается наличие границы раздела энергии электрона, попадающего в квантовую точку, то ¶ E-mail: efremov@isp.nsc.ru станет в принципе возможным наблюдение кулоновской 4 946 М.Д. Ефремов, Г.Н. Камаев, В.А. Володин, С.А. Аржанникова, Г.А. Качурин, С.Г. Черкова...

блокады проводимости для толщин барьеров, доступных служила дейтериевая лампа высокого давления ДДС-для практической реализации. В этом случае механизм с непрерывным спектром излучения в диапазоне длин транспорта заряда по состояниям в диоксиде кремния волн от 200 до 400 нм. Для сравнения воздействия будет иметь принципиальное значение. ультрафиолетового облучения также проводились исслеНастоящая работа посвящена экспериментальному дования структур, не содержащих нанокристаллы в слое исследованию электрических свойств пленок диоксида оксида.

кремния, содержащих нанокристаллические включения кремния.

3. Экспериментальные результаты и обсуждение 2. Методика эксперимента 3.1. Дифференциальные вольт-амперные Экспериментальные образцы представляли собой и вольт-фарадные характеристики МОП структуры (металл–окисел–полупроводник) с захороненными в окисле кремния нанокристаллами кремВольт-фарадные характеристики (ВФХ) контрольных ния. В экспериментах использовались образцы с разным МОП структур имели достаточно стандартный вид, типом проводимости подложки и с вариацией толщины соответствующий обычной высокочастотной ВФХ МОП диэлектрика. Для введения нанокристаллов Si в слой структуры, с емкостью насыщения при положительном диоксида кремния имплантировали ионы Si+ с энерсмещении 185 пФ, что соответствует емкости диэлекгией 25 кэВ и дозой 3 · 1016 см-2 (подложка n-типа, трика указанной толщины (см. рис. 1, a, кривая 4).

толщина окисла 75 нм), с энергией 150 кэВ и дозой 7 · 1017 см-2 (подложка p-типа, толщина окисла 300 нм).

Постимплантационный отжиг структур проводился при 1000C в течение 2 ч в атмосфере N2. Как было показано ранее, такая термическая обработка имплантированных кремнием структур приводит к образованию нанокристаллических включений со средним размером 5нм и к появлению линии фотолюминесценции с длиной волны около 750 нм [9]. МОП структуры формировались путем термического испарения алюминия через маску в вакууме на холодную подложку. На тыльной стороне структур формировался омический контакт нанесением эвтектической смеси In–Ga. Также были созданы контрольные МОП структуры на той части поверхности образцов, которая при имплантации была закрыта металлической маской, а в остальном процесс их изготовления соответствовал исследуемым структурам.

Для полученных МОП структур были измерены зависимости дифференциальных емкости и проводимости от приложенного напряжения в диапазоне частот 1-145 кГц и статические вольт-амперные характеристики. Дифференциальные характеристики измерялись путем приложения переменного и постоянного напряжения, первое из которых равнялось 20 мВ, а второе плавно менялось от -10 до +10 В. Переменный сигнал с нагрузочного сопротивления измерялся в режиме синхронного детектирования. Значения дифференциальных емкости и проводимости регистрировали одновременно, используя два синхронных детектора с отстройкой фазы на 90.

Также проводилось исследование вольт-фарадных хаРис. 1. Дифференциальные емкость (a) и проводимость (b) рактеристик и зависимости проводимости от напряжеМОП структуры, содержащей нанокристаллы кремния в слое ния МОП структур, содержащих нанокристаллы в слое диэлектрика (1–3) и без нанокристаллов (4). Частота измеокисла, при воздействии на них ультрафиолетовым (УФ) рения, кГц: 1 — 1.12, 2 — 10, (3, 4) — 145. На вставке — излучением. Образцы облучались в течение 1 ч при пространственное распределение Si в пленке SiO2 толщиной отсутствии смещающего напряжения на электродах и во 75 нм после имплантации ионов Si+ с энергией 25 кэВ дозой время измерения характеристик. Источником излучения 5 · 1016 см-2.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Кулоновское блокирование проводимости пленок SiOx при одноэлектронной зарядке... Для МОП структур с нанокристаллами кремния в ся увеличение дифференциальной проводимости МОП окисле кремния (см. рис. 1) наблюдается отличие ха- структур. Влияние подсветки на дифференциальную прорактеристик дифференциальных емкости и проводимо- водимость может быть обусловлено двумя механизмами.

сти. В сравнении с контрольным образцом наблюдается Первый связан с обычной фотопроводимостью, когда сдвиг напряжения плоских зон на величину -(1-1.5) В проводимость образца растет с интенсивностью падаюв область отрицательных смещений, что свидетельствует щего света, что связано с появлением дополнительных о наличии дополнительного положительного заряда в носителей заряда в зонах делокализованных состояний.

окисле с избыточной концентрацией кремния. Кроме Второй, более сложный, механизм может приводить того, для частот 1.12, 10 кГц обнаружено резкое возраск падению проводимости образца за счет того, что тание емкости, а для частоты 145 кГц некоторое уменьгенерируемые светом носители заряда заполняют пустые шение емкости при напряжениях более 0.2 В. Следусостояния в цепочках проводимости, обеспечивающих ет отметить, что экспериментальная дифференциальная полную проводимость структуры. Заполнение пустых проводимость МОП структур также существенно возсостояний может приводить к выключению цепочки растает при приложении положительного смещения напроводимости, что в конечном итоге может приводить к чиная с 0.2 В. Причем дифференциальная проводимость падению общей проводимости окисного слоя. В данном на частоте 145 кГц значительно меньше, чем для более случае, по-видимому, проявляются оба этих механизма низких частот (см. рис. 1, b). Для контрольного образца в диапазоне напряжений -2-0 В и более 0.2 В соотне наблюдалось существенного роста дифференциальветственно. Наличие гистерезиса объясняется естественной проводимости при увеличении смещения. Область ным образом, так как зарядовое состояние в цепочках напряжений, в которой наблюдаются отличия емкости проводимости также зависит от приложенного смещения и проводимости, одна и та же и, следовательно, при и при осуществлении резвертки смещения в сторону его этих напряжениях происходит перезарядка электронных увеличения или обратно зарядовое состояние цепочек состояний в окисле кремния, которые дают существенпроводимости может быть разным.

ный вклад в обе измеряемые величины. По-видимому, эти электронные состояния связаны с наличием избыточного кремния в окисле. Они могут быть связаны и с кремниевыми кластерами, присутствующими в окисле после радиационно-термических обработок. Повышение частоты измерения до 145 кГц приводит к уменьшению наблюдаемого эффекта вследствие того, что часть состояний не успевает перезарядиться. Так как при данных приложенных напряжениях область пространственного заряда полупроводника находится в режиме обогащения и емкость МОП структуры определяется исключительно емкостью диэлектрика, все изменения в общей емкости структуры происходят вследствие перезарядок состояний в диэлектрике. Итак, имплантация кремния и формирование в окисле кремния нанокристаллов кремния при последующих термических обработках приводят к появлению в окисле электронных состояний, которые, перезаряжаясь, изменяют дифференциальные емкость и проводимость МОП структур.

Можно считать, что при комнатной температуре основным механизмом переноса заряда в окисле является прыжковый транспорт. В окисле кремния вероятность прыжков носителей заряда с одного состояния на другое зависит от их зарядового состояния. Его можно изменить при воздействии на образец УФ излучением, что и было осуществлено в эксперименте. На рис. 2 представлены зависимости дифференциальных емкости и проводимости МОП структуры в условиях УФ подсветки.

Измерения проводились на частоте 145 кГц. В области напряжений более 0.2 В наблюдается уменьшение емкости и проводимости МОП структур с нанокристаллами Рис. 2. Дифференциальные емкость (a) и проводимость (b) кремния в окисном слое. Причем в этой области напряМОП структуры, содержащей нанокристаллы кремния в слое жений наблюдается гистерезис характеристик. В области диэлектрика, на частоте 145 кГц: 1 — измерения в темноте, напряжений от -2 до 0 В при освещении наблюдает- (2, 3) — при ультрафиолетовой подсветке.

4 Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 948 М.Д. Ефремов, Г.Н. Камаев, В.А. Володин, С.А. Аржанникова, Г.А. Качурин, С.Г. Черкова...

частоте. Наблюдение ставнительно узкого пика на вольтфарадной характеристике соответствует узкому распределению локальных состояний в окисле по энергии.

3.2. Статические вольт-амперные характеристики Были измерены статические ВАХ МОП структур с нанокристаллами кремния в окисном слое при комнатной температуре. Для большинства экспериментальных образцов наблюдались ВАХ диодного типа. Избыточный кремний, внедренный при имплантации, приводит к появлению электронных состояний в объеме диэлектрика, и диэлектрик становится проводящим. Так как ток легко Рис. 3. Вольт-фарадные характеристики МОП структуры, проходит через диэлектрик от полупроводника к месодержащей нанокристаллы кремния в слое диэлектрика. Чаталлическому контакту, можно предположить, что такая стота измерения, кГц: 1 —1, 2 — 10, 3 — 145. На вставке — структура будет иметь вольт-амперную характеристику, пространственное распределение Si в пленке SiO2 толщиной схожую с характеристикой диода Шоттки. В эксперимен300 нм после имплантации ионов Si+ с энергией 150 кэВ дозой те наблюдалась ВАХ, несимметричная по отношению к 7 · 1017 см-2.

знаку напряжения.

Однако примерно для 10% из исследованных структур резкого возрастания тока при приложении прямого Ультрафиолетовое облучение структур, не содержанапряжения не наблюдалось. В этих случаях вольтщих нанокристаллов, не изменяло форму ВФХ, однаамперная характеристика в прямом направлении была ко они сдвигались в область отрицатальных напряжений, что свидетельствует о накоплении положительного встроенного заряда внутри диэлектрика. Зарядка диэлектрика в результате ультрафиолетового облучения объясняется тем, что в SiO2 имеются два типа ловушек внутри его запрещенной зоны. Первый тип — мелкие электронные ловушки, второй — глубокие дырочные.

Pages:     || 2 | 3 |



© 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.