WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

При ультрафиолетовом облучении происходит рождение электронно-дырочных пар внутри SiO2, фотовозбужденные электроны захватываются на электронные ловушки, а дырки — на дырочные. Так как электронные ловушки — мелкие и подвижность захваченных электронов на них выше, электроны быстро стекают в металл или зону проводимости полупроводника. Дырочные ловушки являются глубокими состояниями с большим временем жизни на них дырок. В результате дырки остаются на своих ловушках, диэлектрик получает положительный заряд, а это в свою очередь приводит к изменению напряжения плоских зон и смещению вольт-фарадной характеристики в область отрицательных напряжений. Для снятия такого положительного заряда диэлектрик необходимо было подвергнуть термическим обработкам при температуре до 350Cв течение 15-20 мин.

На рис. 3 приведены результаты измерения ВФХ для МОП структур, содержащих в окисле нанокристаллы кремния. Толщина окисла в данном случае равнялась 300 нм, а подложка имела p-тип проводимости. Анализ ВФХ выявил наличие пика при смещении (-12) В, соответствующего перезарядке локальных электронных Рис. 4. Вольт-амперные характеристики МОП структуры, состояний в диэлектрике. Амплитуда пика падает с содержащей нанокристаллы кремния в слое диоксида кремния.

ростом частоты измерения вследствие того, что часть a — эксперимент при T = 300 K; b — эксперимент при состояний не успевает перезаряжаться при высокой T = 77 K и расчет для двухбарьерной структуры.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Кулоновское блокирование проводимости пленок SiOx при одноэлектронной зарядке... более пологой. На рис. 4, a представлена типичная содержащих нанокристаллы кремния, будет падать более вольт-амперная характеристика такой структуры. В об- резко из-за большей локализации волновых функций ласти напряжений от 7 до 9 В были отмечены слабые на состояниях. По мере понижения температуры вклад особенности, которые воспроизводились для одного и проводимости одной или нескольких цепочек может того же обрацза. Для смещений выше 9 В наблюдалась стать доминирующим.

нестабильность тока через образец. Как видно, для этого Нанокристалл, являясь многозарядным центром, при сорта структур не наблюдается быстрого и монотонного зарядке несколькими электронами или дырками может возрастания тока, наподобие наблюдавшегося в больблокировать проводимость такой цепочки. В эксперишинстве структур при 0.7 В. Более того, зависимость менте это может проявляться в ступенеобразной вольттока от напряжения начиная примерно с 7 В содержит амперной характеристике на фоне тока, определяемого резкие изломы и небольшие плато, которые отмечены другими цепочками проводимости. При этом кулоновна графике стрелками. Появление подобных изломов ское блокирование будет наблюдаться только для тех и плато на вольт-амперных характеристиках авторы цепочек, для которых вероятность перехода электрона многих работ [10–13] связывают с резонансным туниз эмиттера в нанокристалл будет много больше, чем нелированием через локализованные состояния внутри вероятность туннелирования из нанокристалла в коллекслоя диэлектрика. Воспроизводимость слабых особентор. Остальные цепочки будут давать вклад, плавно заностей на статических ВАХ позволила предположить, висящий от напряжения и не содержащий обсуждаемых что эти особенности могут быть связаны с зарядкой особенностей.

состояний в нанокристаллах кремния. При понижении С тем чтобы оценить непротиворечивость модели, температуры до 77 K воспроизводимые особенности был осуществлен теоретический анализ ВАХ МОП ВАХ приняли ступенеобразную форму, что отражено структуры на основе положений работы [15].

на рис. 4, b. Ступенеобразная форма статических ВАХ наблюдалась в области напряжений от 8.5 до 9.5 В.

При напряжениях 9.5 В, так же как и при комнатной 3.3. Моделирование статических температуре, наблюдалась неустойчивость измеряемого вольт-амперных характеристик для МОП тока. Подобные флуктуации тока наблюдались во многих структур с нанокристаллами кремния работах, посвящанных резонансному протеканию тока через уровни размерного квантования или примесные В работе [15] получено выражение для туннельного уровни в диэлектрике [11,14].

тока через состояния в квантовой яме в двухбарьерной Нужно заметить, что ступени на представленной структуре. В качестве одного электрода выступает кремвольт-амперной характеристике (рис. 4, b) неэквидиниевая подложка n-типа проводимости, другим элекстантны и токовые плато имеют разную протяженность.

тродом является алюминиевый контакт. Квантовая яма Для качественного объяснения ступенчатого вида завиобразуется нанокристаллом кремния, который находится симости тока от напряжения была использована модель, внутри слоя SiO2. Выражение для туннельного тока, в которой протекание тока через слой окисла МОП описывающее ступенеобразную форму вольт-амперной структуры происходит по цепочкам электронных состохарактеристики, имеет вид [15] яний. Цепочки могут содержать состояния, соответствующие уровням размерного квантования энергии элекI = e c трона, локализованного внутри нанокристалла кремния.

Модель также учитывает одноэлектронную зарядку наp(n) - q(n) нокристалла при прохождении через него тока. n +.

(Vb-Vn) Суть использованной модели состоит в следующем.

p(n) - q(n) + q(n) +1 exp -e kT Предполагалось, что проводимость окисла определяется прыжковым механизмом транспорта заряда. Прыжки В данном выражении — вероятность туннелирования c носителей заряда осуществляются через состояния в из нанокристалла в коллектор, n — число электронов окисле, которые образуют систему цепочек, дающих в квантовой яме, p — степень вырождения незаполненсущественный вклад в общую проводимость окисла.

ного уровня, q — число электронов на незаполненном Наличие в составе такой цепочки нанокристалла кремуровне, — часть напряжения, которая падает между ния делает ее вклад более существенным, поскольку эмиттером и квантовой ямой, Vb — напряжение, прирадиус локализации волновой функции электрона для кладываемое к структуре, V — пороговое напряжение, нанокристалла много больше соответствующего радиуса n необходимое для перехода электрона из эмиттера на для локального центра. Локальный центр цепочки соквантовый уровень с энергией n, T — температура, k — стояний, с которого электрон прыгает на нанокристалл постоянная Больцмана, e — заряд электрона.

кремния, играет роль эмиттера, а центр, принимающий электрон, прыгающий из нанокристалла, — роль кол- Пороговое напряжение определяется как энергетичелектора. При понижении температуры можно ожидать, ским спектром нанокристалла l(n), так и характерной что вклад в проводимость от цепочек состояний, не электростатической энергией одноэлектронной зарядФизика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 950 М.Д. Ефремов, Г.Н. Камаев, В.А. Володин, С.А. Аржанникова, Г.А. Качурин, С.Г. Черкова...

ки нанокристалла, имеющего емкость C: чтобы обеспечить конечность волновой функции в начале координат; выполнение условия может быть обеспеl(n) +n V = Vt +, чено бесконечно высокой стенкой потенциала при r = 0.

n e Роль ширины ямы выполняет радиус нанокристалла R, а e2 вид потенциала следующий:

=, C при r = 0, где Vt — пороговое напряжение, необходимое для U(r) = 0 при 0 < r < R, перехода электрона в нанокристалл кремния в основ U при r R.

ное состояние. Вероятность попадания электронов в нанокристалл определяется прыжковым транспортом e Расчет энергетических состояний для нанокристаллов электронов по проводящей цепочке и положением нанокремния позволил рассчитать ВАХ, которая приведена кристалла в ней.

на рис. 4, b в сопоставлении с результатами экспериРасчет энергетического спектра нанокристалла креммента. Расчетная ВАХ хорошо согласуется с экспериния, помещенного в более широкозонную матрицу SiO2, ментом. Это позволяет предположить, что наблюдаемые проведен на основе решения сферически симметричного особенности на ВАХ связаны с проявлением эффекта уравнения Шредингера в приближении эффективной „кулоновской блокады“, когда одноэлектронная зарядка массы. При расчетах использовались следующие парананокристалла, встроенного в цепочку проводимости, метры: эффективная масса дырки mh = 0.19m0, эффеквызывает блокирование прыжка следующего электрона тивная масса электрона me = 0.26m0; бырьер для дырок в нанокристалл за счет возросшего электростатического 4.34 эВ, для электронов 3.2 эВ [16]. Учитывался разрыв потенциала. Для того чтобы этот эффект можно было масс на гетерогранице и эффективная масса носителей наблюдать, необходимо соблюдение соотношения заряда в SiO2 mb = m0.

Решалось уравнение Шредингера для сферически симeметричного случая [17]: kT, 2C 2m + E - U(r) = 0. т. е. чтобы электростатическая энергия зарядки нанокристалла значительно превышала тепловую энергию.

Волновая функция электрона в сферически симметричОценки показывают, что для размера нанокристалла ном случае может быть представлена в виде произ2-5 нм с учетом зависимости диэлектрической прониведения радиальной волновой функции и сферической цаемости от размера нанокристалла электростатическая функции в каждой из областей, где масса является энергия составляет величины 60-32 мэВ, что на порядок постоянной величиной:

больше kT для азотной температуры (6.63 мэВ). Еще одним условием для наблюдения „кулоновской блокады“ (r,, ) = (r) · Y (, ).

является то, что вероятность попадания электрона в наВ нашем случае потенциал сферически симметричен, нокристалл, находящийся в основной проводящей цепочи для всех таких потенциалов угловая зависимость ке, должна быть выше вероятности ухода из него. В наволновой функции универсальна и определяется сфешем случае это достигалось статистическим отбором рическими функциями. Для радиальной части волновой экспериментальных образцов. Вероятность одноактного функции имеем уравнение туннелирования электрона из металла в нанокристалл через всю толщину разделяющего их окисла крайне 1 L(L + 1) r2 (r) - (r) мала, и в нашем случае, предположительно, электрон r2 r r rдостигал нанокристалла путем многократных туннель2m ных прыжков по состояниям в SiOx. Наличие состояний + E - U(r) (r) =0.

в SiOx, по нашему мнению, обусловлено избыточными Сделав замену переменных (r) =(r)/r, уравнение атомами кремния, внедренными ионной имплантацией и приводим к виду не собравшимися в нанокристаллы.

Теоретическая вольт-амперная характеристика имеет 2 (r) 2m L(L + 1) ступенчатый вид и содержит две группы ступеней, + E - U(r) - (r) =0.

r2 2 rразделенных широким плато. Первое ступенчатое увеДля орбитального момента L, равного нулю, можно личение тока возникает при совмещении уровня эмитвоспользоваться решением задачи об одномерной потен- тера с основным одноэлектронным уровнем размерноциальной яме го квантования в нанокристалле E0. При выполнении условия происходит аккумуляция одиночноe c d2(r) 2m + E - U(r) (r) =0, го электрона в потенциальной яме, что приводит к dr2 увеличению энергии системы на величину e2/C [15].

где (r)/r определяет радиальную часть волновой функ- Следующее ступенчатое увеличение тока происходит ции. Должно выполняться условие (r = 0) =0 с тем, при совмещении уровня эмиттера с двухэлектронным Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Кулоновское блокирование проводимости пленок SiOx при одноэлектронной зарядке... основным состоянием, энергия которого составляет ве- ния в своем составе. Наличие ступеней описано одноличину E1 = E0 + e2/C. После заполнения основного электронной зарядкой нанокристалла кремния и кулоуровня размерного квантования количество электронов новским блокированием вероятности прыжка электрона в нанокристалле равно 2 и энергия всей системы с ближайшего локального состояния в цепочке проводиувеличилась на 2e2/C. Поэтому очередная ступень на мости. Предполагается, что локальные состояния в окисвольт-амперной характеристике возникнет при достиже- ле кремния соответствуют кластерам избыточного кремнии уровнем эмиттера следующего одноэлектронного ния малых размеров, формирующимся непосредственно уровня, энергия которого уже составляет E1 + 2e2/C, в результате ионной имплантации кремния. Наличие а количество электронов в яме после этого станет таких состояний в окисле кремния подтверждается данравным 3. Дальнейшее заполнение уровней происходит ными измерений дифференциальных проводимости и еманалогично. Таким образом, процесс одноэлектронной кости. Для имплантированных кремнием МОП структур зарядки нанокристалла снимает вырождение уровней наблюдается увеличение дифференциальных емкости и размерного квантования. При таком рассмотрении не проводимости по отношению к контрольным структурам учитывается взаимодействие электронов в яме. Уров- в области смещений более 0.2 В. В этой же области ни E0, E1 рассчитывались в одноэлектронном прибли- напряжений при воздействии УФ излучением изменение жении. Вполне возможно, что при заполнении нанозаполнения в цепочках проводимости обусловливает кристалла кремния 4 электронами и более это взаиуменьшение проводимости структур.

модействие становится существенным, что и объясняет наблюдавшуюся в эксперименте нестабильность тока при напряжении более 9.5 В. Список литературы Следует обратить внимание на то, что как теорети[1] T. Shimizu-Iwayama, K. Fujita, S. Nakao, K. Saitoh, R. Fujita, ческая, так и экспериментальная ВАХ на рис. 4, b норN. Itoh. J. Appl. Phys., 75, 7779 (1994).

мированы на величину (e ), где значение вероятности c [2] Г.А. Качурин, И.Е. Тысченко, В. Скорупа, Р.А. Янков, туннелирования в коллектор было подобрано нами из c К.С. Журавлев, Н.А. Паздников, В.А. Володин, А.К. Гусравнения с экспериментом и равнялось 7 · 109 с-1. При таковский, А.Ф. Лейер. ФТП, 31 (6), 730 (1997).

этом уровни ступеней, наблюдаемые в эксперименте, [3] Y.C. King, T.J. King, C. Hu. International Electron Devices становятся последовательно равными натуральному ряMeeting Technical Digest (1998) p. 115.

ду чисел 1, 2, 3, 4. Это соответствует числу электронов в [4] C. Delerue, M. Lannoo, G. Allan. Phys. Rev. Lett., 84, нанокристалле при поданном смещении и соответствует (2000).

тому, что ток в режиме „кулоновской блокады“ опре- [5] A. Zunger, L.-W. Wang. Appl. Surf. Sci., 102, 350 (1996).

[6] B. Delley, E.F. Steigmeier. Appl. Phys. Lett., 67 (16), деляется произведением числа электронов в квантовой (1995).

точке на вероятность перехода в коллектор.

[7] D. Babic, R. Tsu, R.F. Greene. Phys. Rev. B, 45 (24), 14 В случае нанокристалла кремния диаметром 5нм (1992).

расстояние между уровнями размерного квантования [8] R. Tsu. Appl. Phys. A, 71, 391 (2000).

больше характерной электростатической энергии e2/C, [9] Г.А. Качурин, А.Ф. Лейер, К.С. Журавлев, И.Е. Тысченко, поэтому узкие плато на вольт-амперной характеристике А.К. Гутаковский, В.А. Володин, В. Скорупа, Р.А. Янков.

соответствуют разности энергии между одно- и двухФТП, 32 (11), 1371 (1998).

Pages:     | 1 || 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.