WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 1464 Б.А. Аронзон, Д.А. Бакаушин, А.С. Веденеев, В.В. Рыльков, В.Е. Сизов Что касается коротких транзисторов MNOS (рис. 5, 6), то в них кривые эффекта поля, а также функция Nss(G) в области слабой инверсии имеют иной характер, в частности, плотность состояний обнаруживает отчетливо выраженную особенность в виде пика. Примечательно, что положение пика на оси G практически не зависит от температуры. В условиях больцмановской статистики это означает, что энергетическое положение максимума Nss изменяется по отношению к дну зоны проводимости пропорционально T, следовательно, пик не может быть связан с перезарядкой в условиях эффекта поля пограничных ловушек или дефектов. Отметим, что его появление также не может быть обусловлено концентрационной зависимостью подвижности электронов в инверсионном канале µc(nc), которую мы полагаем слабой: измерения эффекта Холла показали, что при T 77 K в режиме слабой инверсии µc определяется смешанным рассеянием электронов на фононах и заряженных поверхностных центрах, и поэтому слабо изменяется с nc [17]. Иными словами, особенность плотности состояний в короткоканальном MNOS транзисторе не описывается в терминах пограничных состояний как ”флуктуационного” происхождения [5], так и Рис. 8. Эффективная плотность состояний Nss в зависимости связанных с конкретными поверхностными центрами [8].

от G для GaAs–AlGaAs-HEMT. T, K: 1 —300, 2 — 77.

Особо подчеркнем то обстоятельство, что увеличение (примерно в 2 раза) концентрации встроенного заряда практически не влияет ни на положение пика Nss на оси G, ни на характер зависимости проводимости канала Другим примером короткоканальных транзисторов с от потенциала затвора, оказывающейся в области слаповышенной концентрацией заряженных центров вблизи бо открытого канала не экспоненциальной, а линейной электронного канала являются GaAs–AlGaAs-HEMT с (см. рис. 7).

тонким ( 30 ) спейсером, в которых поверхностный ФП индуцируют ионизированные доноры слоя n-AlGaAs (типичная их концентрация Nd 1018 см-3). В рассма2/триваемых условиях nt Nd [11], откуда 18 мэВ.

На рис. 8 показана зависимость Nss(G) для HEMT с длиной затвора 0.6 мкм (ширина затвора 60 мкм, расстояние между истоком и стоком 3 мкм), изготовленных методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Как и в случае короткоканального транзистора Si-MNOS, функция плотности состояний обнаруживает пик в том же диапазоне значений G 10-5 10-4 Ом-1, отчетливо проявляющийся при 77 K ( kT ) и слабо выраженный при комнатной температуре ( kT ).

Несколько неожиданным оказалось обнаружение аналогичной особенности эффективной плотности состояний в полевых транзисторах с управляющим барьером Шоттки на основе GaAs (ПТШ), в которых канал формируется в легированном слое n-GaAs и проводимость в общем случае имеет трехмерный характер. Между тем в ряде работ (см. [2]) отмечалось, что при достаточно больших обедняющих напряжениях подзатворная область канального слоя практически полностью обеднена электронами, за исключением границы его Рис. 7. Зависимость G(Vg) для короткого Si-MNOS-транзисраздела с полуизолирующей подложкой, у которой и тора при 77 K в условиях различного зарядового состояния возникает квазидвумерный электронный канал. При этом границы раздела SiO2–Si3N4 при nt, 1012 см-2: 1 —2.5, 2 —5.3, электронный перенос осуществляется во флуктуацион3 —6.5.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Проявление в спектре мелких пограничных состояний эффектов перколяционной проводимости... встроенного заряда (рис. 7), тогда как в классическом режиме проводимость G пропорциональна подвижности электронов, которая из-за рассеяния на поверхностных заряженных центрах спадает с увеличением nt [19].

Иными словами, в этом режиме следовало бы ожидать уменьшения наклона соответствующих зависимостей в области слабой инверсии.

Рассмотрим экспериментальные данные, относящиеся к транзистору Si-MNOS (рис. 5, 6), в котором из-за высокой концентрации встроенного заряда обнаруженные эффекты проявляются даже при комнатной температуре.

Зависимость Nss на левом склоне пика изменяется с G по стпенному закону с показателем степени (т. е. G Vg + const), что характерно для сильной инверсии, когда ФП практически полностью экранирован (7). Иными словами, левый склон пика как бы является параллельным переносом зависимости Nss(G) из области сильной инверсии (G 10-4 Ом-1) в область слабой (G 10-5 Ом-1). Такая ситуация может наблюдаться при параллельном подключении 2 транзисторов с одинаковой длиной затвора, первый из которых имеет Рис. 9. То же, что и на рис. 8, но для полевого транзистора с более низкое пороговое напряжение Vt1 (рис. 7) и более барьером Шоттки на основе GaAs. T, K: 1 —300, 2 — 77.

узкий (примерно в 200 раз) канал по данным рис. 5, 6.

Именно появление такого дополнительного канала с пониженным напряжением порога обусловливает осоном потенциале ионизированных доноров барьерного бенность эффективной плотности состояний, тем более слоя, удовлетворяющего при 77 K и малых ns критерию отчетливую, чем сильнее разнесены пороги этих каналов.

сильного ФП [18]. На рис. 9 приведена зависимость Физическая картина возникновения дополнительного плотности состояний Nss(G) для GaAs-ПТШ (толщина канала проводимости выглядит, на наш взгляд, следуюканального слоя n-GaAs : Si — 0.15 мкм, концентрация щим образом. В условиях сильного ФП ( kT ) поддоноров — Nd 3 · 1017 см-3, длина затвора 0.8 мкм, затворная поверхность полупроводника представляет соширина 200 мкм, расстояние между истоком и стобой совокупность микроскопических областей размером ком 3 мкм). Она обнаруживает при 77 K отмеченную порядка радиуса экранирования флуктуаций потенциала выше особенность в диапазоне G 10-5 10-4 Ом-1, Rs min{d; (nt/)1/2/ns} [5–7]. Каждая из областей хаисчезающую при 300 K в условиях температурного перактеризуется некоторым значением локального потенрехода от сильного ФП к слабому.

циала, флуктуирующим от области к области в пределах амплитуды ФП, оценку которой дает среднеквадратичное Обсуждение результатов и выводы отклонение потенциала от средней величины 1/Суммируем изложенное. За исключением двух слу =(/q) ln(1 + R2z2), (8) s чаев — слабого ФП (рис. 1, 2) и структур с большой длиной затвора (рис. 3, 4), в транзисторных структурах где z — среднее расстояние между плоскостями элекс повышенной концентрацией заряда в подзатворном тронного канала и встроенного заряда; для системы диэлектрике возникает особенность в виде пика эф- MNOS z 30 —толщина слоя SiO2. На практике, фективной плотности состояний. Эта особенность вы- например, при малых ns, Rs d и на порядки превышает ражена тем более отчетливо, чем ниже температура, длину волны электронов, поэтому области можно хавыше концентрация встроенного заряда и короче ка- рактеризовать локальной электропроводностью, именал. Безотносительно к изменению перечисленных па- ющей экспоненциально сильный разброс по поверхности раметров, а также толщины подзатворного диэлектрика канала: (ln ) q/kT 1. В этих условиях провои отношения длины затвора к его ширине этот пик димость оказывается перколяционной [3], т. е. существунаблюдается в одном и том же диапазоне значений ют стационарные траектории электронного переноса, G 10-5 10-4 Ом-1 q2/h, что приводит к выводу образующие в системах неограниченных размеров так о проявлении квантовой природы проводимости коротназываемый бесконечный перколяционный кластер, в коканальных транзисторов в условиях сильного ФП.

нашем случае — двумерную сетку, характерный размер Подтверждением этого вывода, в частности, является ячеек которой определяется корреляционной длиной независимость проводимости слабо открытого инверсионного канала транзисторов Si-MNOS от концентрации Lc Rs(q/kT ) R. (9) Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 1466 Б.А. Аронзон, Д.А. Бакаушин, А.С. Веденеев, В.В. Рыльков, В.Е. Сизов Очевидно, что образец можно рассматривать как неогра- и амплитуды ФП (8), что сопровождается уменьшениниченный лишь в ситуации, когда его размеры много ем корреляционной длины (9). В результате система больше Lc. Как показывает оценка, величина Lc для постепенно трансформируется из перколяционной в эфструктур MNOS приближается к единицам мкм, что фективную, проводимость которой определяется конценсоизмеримо с длиной затвора транзисторов (5мкм), трацией электронов на уровне среднего поверхностного следовательно, в их проводимости могут проявиться потенциала [5], что в условиях экспериментов отвечает мезоскопические эффекты. переходу от левой возрастающей ветви функции Nss(G) к Особо отметим, что ширина рассматриваемых объек- аналогичной правой. В этом, на наш взгляд, заключается тов много больше их длины. Согласно результатам работ, основная причина того обстоятельства, что обнаруженпосвященных изучению мезоскопики в полупроводнико- ная особенность наблюдается в различных образцах в вых структурах малой длины,1 в этой ситуации доми- одном и том же диапазоне G G безотносительно к нирующую роль в проводимости играют относительно геометрии, температуре и величине nt.

редкие случайные низкоомные цепи, образуемые сосед- Отметим, в заключение, что идентичность кривых ствующими областями с проводимостью, существенно эффекта поля для слабо открытых каналов (рис. 7), т. е.

превышающей проводимость неограниченного образца, независимость функции G(Vg) от концентрации встрокоторые закорачивают промежуток между токовыми енного заряда, приводит к выводу о принципиальной электродами (истоком и стоком).

возможности создания нового класса воспроизводимых Мы полагаем, что имеено этот механизм определяет радиационно стойких короткоканальных транзисторов на в нашем случае проводимость транзисторов в условиях основе электронных систем пониженной размерности с сильного ФП, в частности — возникновение допол- экстремально сильным флуктуационным потенциалом.

нительного канала с низким пороговым напряжением.

Авторы признательны Е.З. Мейлихову и А.А. СнарскоПредставляется, что статистические флуктуации плотному за дискуссии.

сти встроенных зарядов образуют в канале транзисторов области с пониженным локальным потенциалом, объедиРабота выполнена при поддержке Межотраслевой няющиеся в низкоомную цепь — потенциальный желоб.

научно-технической программы ”Физика твердотельных Звенья этой цепи соединены посредством перевалов, раснаноструктур” (грант 1-052), фонда Международной Асположенных по энергии гораздо ниже (в единицах kT ), социации INTAS (грант 93-1403) и Российского фонда чем уровень среднего поверхностного потенциала, опрефундаментальных исследований (грант 96-02-18429-а).

деляющий перколяционный уровень в неограниченном образце. На ранних стадиях формирования инверсионного канала, когда концентрация электронов на уровне Список литературы энергии, отвечающем среднему поверхностному потенциалу, экспоненциально мала, проводимость такого же- [1] А.А. Кальфа, А.С. Тагер. В кн.: Многослойные полупроводниковые структуры и сверхрешетки (Горький лоба на порядок превышает проводимость бесконечного 1985).

перколяционного кластера. Электроны, заполняющие в [2] М. Шур. Современные приборы на основе арсенида режиме предельно слабой инверсии наиболее глубокие галлия (М., Мир, 1991).

потенциальные ямы, в том числе те из них, которые обра[3] Б.И. Шкловский, А.Л. Эфрос. Электронные свойства зуют данный желоб, естественно увеличивают его проволегированных полупроводников (М., Мир, 1979).

димость, лимитируемую энергетическим положением са[4] J.R. Brews. J. Appl. Phys., 46, 2181 (1975).

мойвысокойобластиегодна. Еслиразмерыэтойобласти [5] В.А. Гергель, Р.А. Сурис. ЖЭТФ, 84, 719 (1983).

соизмеримы с длиной волны электронов, то в условиях [6] В.А. Гергель, Г.В. Шпатаковская. ЖЭТФ, 102, 640 (1992).

вырождения ее проводимость G = 2q2/h [21], а в [7] A.L. Efros, F.G. Pikus, V.G. Burnett. Phys. Rev. B, 47, (1993).

отсутствие вырождения она определяется вероятностью [8] E.N. Nicollian, J.R. Brews. MOS Physics and Technology заселения соответствующего уровня и, следовательно, (N. Y., Williy, 1982).

имеет активационный характер G G exp(-/kT ), где [9] С. Зи. Физика полупроводниковых приборов (М., Мир, — энергетический зазор между данным уровнем и 1984) т. 1.

уровнем Ферми. В этой ситуации, очевидно, зависимость [10] В.А. Гергель, А.Н. Соляков. ФТП, 17, 1016 (1983).

G(Vg) в определенном смысле является универсальной.

[11] А.С. Веденеев, В.А. Гергель, А.Г. Ждан, В.Е. Сизов. Письма С увеличением Vg проводимость желоба возрастает, ЖЭТФ, 58, 368 (1993).

асимптотически стремясь к величине G, достигаемой [12] Б.А. Аронзон, А.С. Веденеев, А.Г. Ждан, В.В. Рыльков.

в условиях вырождения. В этой ситуации, однако, изМикроэлектроника, 24, 452 (1995).

за возрастания концентрации электронов в силу всту- [13] A.O. Orlov, M.E. Raikh, I.M. Ruzin, A.K. Savchenko. Sol. St.

Commun., 72, 169 (1989).

пают эффекты нелинейного экранирования, обусловливающие резкое уменьшение радиуса экранирования Rs [14] A.S. Rylik, A.O. Orlov, E.I. Laiko. Phys. Low-Dim. Structur., №3, 67 (1994).

[15] А.С. Веденеев, А.Г. Гайворонский, А.Г. Ждан. ФТП, 26, Как правило, в режиме прыжковой проводимости (см., например, [3,13,14,20] и библиографиюк ним). 2017 (1992).

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Проявление в спектре мелких пограничных состояний эффектов перколяционной проводимости... [16] А.С. Веденеев, А.Г. Гайворонский, А.Г. Ждан. ПТЭ, № 2, 246 (1992).

[17] М.А. Байрамов, А.С. Веденеев, А.Г. Ждан, Б.С. Щамхалова.

ФТП, 23, 1618 (1989).

[18] А.В. Орлов, А.К. Савченко, Б.И. Шкловский. ФТП, 23, (1989).

[19] М.А. Байрамов, А.С. Веденеев, А.Г. Ждан. ФТП, 23, (1989).

[20] A.I. Yakimov, N.P. Stepina, A.V. Dvurechenskii. Phys. LowDim. Structur., № 6, 75 (1994).

[21] Л.И. Глазман, Л.И. Лесовик, Д.Е. Хмельницкий, Р.И. Шехтер. Письма ЖЭТФ, 48, 239 (1988).

Редактор Т.А. Полянская Manifestation of percolation conductivity of short-channel field-effect transistors in spectrum of shallow interface states B.A. Aronzon, D.A. Bakaushin, A.S. Vedeneev, V.V.Ryl’kov, V.E. Sizov Kurchatov’s Institute, 123182 Moscow, Russia

Abstract

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.