WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 1 05;06;12 Электронный транспорт в нанометровых GaAs структурах при радиационном воздействии © Н.В. Демарина, С.В. Оболенский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, 603600 Нижний Новгород, Россия e-mail: obolensk@rf.unn.runnet.ru (Поcтупило в Редакцию 5 февраля 2001 г.) Приведены результаты теоретических расчетов и экспериментальных исследований зависимостей электрофизических характеристик n-GaAs при радиационном воздействии.

Введение облучения, когда их концентрация превышает концентрацию ионов легирующей примеси, должно приниматься К настоящему моменту накоплен обширный экспери- во внимание при решении поставленной задачи. Также ментальный материал по исследованию характеристик следует учитывать большие скопления точечных дефек(подвижности, концентрации и времени жизни носителей тов — разупорядоченные области (РО), которые появлязаряда) основных полупроводников (Si, Ge, GaAs) для ются в полупроводнике при воздействии быстрых частиц случая облучения ионами, нейтронами, электронами. По большой массы и существенно изменяются кинетические мере приближения размеров твердотельных структур к характеристики, блокируя потоки носителей заряда.

нанометровой области существенными становятся эф- При проведении экспериментов наиболее удобно восфекты, обусловленные неравновесностью и неоднород- пользоваться нейтронным излучением, так как в силу ностью электронно-дырочного газа, например всплеском большой проникающей способности из-за отсутствия дрейфовой скорости. Последний обусловлен тем, что заряда распределение дефектов в однородном материале электрон, двигаясь в нанометровой структуре за время, является равномерным и достаточно легко рассчитывасравнимое со временем релаксации энергии или им- ется. Так как нейтронное облучение создает не только пульса, попадает в область сильного поля и набирает точечные дефекты (ТД), но и разупорядоченные области, при этом энергию, более чем на порядок превышающую то для оценки влияния ТД использовалось протонное тепловую. Интерес представляет электронный транспорт излучение низкой энергии.

В математической модели радиационные дефекты учив структурах с нанокластерами радиационных дефектов (разупорядоченными областями), размеры которых срав- тывались путем введения дополнительных механизмов рассеяния носителей заряда на ТД и РО. Частота рассенимы как с размерами самих структур, так и с длиной яния на заряженных точечных дефектах рассчитывалась волны электрона. Необходимо определить зависимость с использованием борновского приближения для экранивремен релаксации энергии и импульса электронов от флюенса радиационного воздействия для значений элек- рованного кулоновского потенциала взаимодействия [4] трических полей вплоть до 100 kV/cm.

2 2 Npdq4m1/2 (1 + 2W ) i(k) =, 2 1/2 2(Npd) W (1 + W ) Математическая модель 1 m 2 4nq = 1 -, 2 =, Традиционным методом описания кинетических харакEg m0 kBT теристик электронно-дырочного газа в полупроводнике где n(Npd) — концентрация электронов, которая зависит является кинетическое уравнение Больцмана. Численот концентрации дефектов, являющихся центрами захваный метод решения уравнения Больцмана с помощью та; Npd — концентрация заряженных точечных дефектов;

процедуры Монте-Карло позволяет детально исследоq — заряд электрона; T — температура решетки; kB — вать взаимодействие электронного газа с кристалличепостоянная Больцмана; h — постоянная Планка; — ской решеткой полупроводникового материала, учесть диэлектрическая проницаемость; Eg — ширина запреособенности дисперсионной картины (многодолинность, щенной зоны; m и m0 — эффективная масса в долине и непараболичность долин), рассмотреть практически все масса свободного электрона соответственно.

механизмы рассеяния носителей заряда для широкоКонцентрация точечных дефектов в материале после го интервала значений напряженности электрического облучения определялась как [5]:

поля [1].

Хорошо известно [2,3], что наличие заряженных расNpd = GeFe, сеивающих центров, например ионов легирующей пригде Ge = 5cm-1 — скорость генерации точечных демеси, существенно влияет на все электрофизические фектов, Npd — концентрация точечных дефектов (cm-3), параметры полупроводника. Поэтому влияние заряженных радиационных дефектов особенно при таких дозах Fe — флюенс электронов (cm-2).

Электронный транспорт в нанометровых GaAs структурах при радиационном воздействии Учитывалось изменение длины экранирования в облу- поврежденных областях как на непрозрачных для чаченном материале вследствие захвата свободных носите- стиц включениях. Частота рассеяния определялась через поперечное сечение включений, зависящее от энергии лей заряда ловушками, создаваемыми излучением.

носителей заряда, Для описания РО использовалась модель Госсика [2,6], согласно которой в центре области находится электриdr = 2r2 (kref 1) и dr = 4r2 (kref 1), ef ef чески нейтральное ядро, обогащенное дивакансиями и окруженное заряженной оболочкой, состоящей из ком- где k — волновой вектор электрона.

В этом случае выражение для частоты рассеяния на плексов вакансий с атомами примеси и дефектами. Это образование находится внутри области пространствен- разупорядоченной области в j-й долине приобретает вид ного заряда, размеры которой зависят от концентрации j(W) =jdrNdr, носителей в ненарушенной матрице кристалла. Приблигде j — скорость электрона в j-й долине.

женно можно считать, что разупорядоченная область имеет форму, близкую к сферической. Точное определе- Необходимо отметить, что этот тип рассеяния, как и в случае заряженных точечных дефектов, носит упругий ние параметров разупорядоченной области (радиуса ядра характер, но рассеяние на точечных дефектах малоуглоповреждения, протяженности слоя пространственного вое, а на разупорядоченных областях — рандомизирузаряда и заряда центральной части) в рамках модели щее.

Госсика стало возможным после привлечения дополнительных экспериментальных данных о предельном положении уровня Ферми в облученном GaAs, концентрации Эксперимент и энергетических уровнях радиационных дефектов [7].

Задача определения радиусов поврежденной облас- Для экспериментальных исследований использовалась ти r1, внутреннего центрального ядра r0 и слоя про- структура на основе полевого транзистора с затвором странственного заряда r2 заключается в решении урав- Шоттки (ПТШ) и встроенным каналом, которая являнения Пуассона, записанного в сферических координа- ется весьма удобной для определения электрофизичестах для потенциала в слое пространственного заря- ких характеристик полупроводниковых слоев. Измереда поврежденной области и окружающей ее неповреж- ния вольт-амперных и вольт-фарадных характеристик (ВАХ и ВФХ) структуры несут информацию о профиденной части полупроводника, лях подвижности и концентрации легирующей примеси d d в канале и прилегающем буферном слое проводника r2 = - r2Q(r), dr dr под затвором. Изменяя напряжение на стоке, получали зависимость скорости носителей заряда от элекгде r — радиус-вектора, Q(r) — плотность заряда, — трического поля, а варьируя напряжение на затворе, диэлектрическая проницаемость материала.

удалось провести измерения для достаточно большого Правая часть уравнения в общем случае включает интервала концентраций примеси (1015-1018 cm-3) в заряд как неподвижных центров, так и подвижных носи- переходном слое канал–буфер. По ВАХ транзисторов телей. Облучение нейтронами приводит к закреплению с нанометровым затвором судили о временах релаксауровня Ферми вблизи уровня Ev + 0.6 eV в центре ции импульса носителей заряда, а также о процессах рассеяния. Наличие хорошо развитой теории переноса разупорядоченной области [8], что является граничным носителей зарядa в ПТШ [9] позволяет с требуемой точусловием при решении уравнения Пуассона.

Зависимости концентрации разупорядоченных облас- ностью пересчитать результаты измерений в параметры материала.

тей Ndr и точечных дефектов Npd от флюенса нейтронов В качестве исходных полупроводниковых структур в для случая присутствия в материале повреждений обоих работе использовались традиционные n+-n-n--GaAs типов определялись [2] структуры с различной концентрацией легирующей примеси в n-слое, на каждой из которых изготавливались Npd = Gpd nFn, Nd r = Kt(Fn)Fn, транзисторы с длиной затвора от 0.03 до 1.5 µm. Ширина -0.55 -0.затвора варьировалась от 50 до 500 µm. Технология изгоKt(Fn) =44.5 Nd, N1 = 7.9Nd, товления транзисторов с длиной затвора более 0.25 µm где Gpd n = 50 cm-1, Gdr n = 0.2cm-1, Npd и Ndr— стандартная [9]. Для получения полевого транзистора концентрации точечных дефектов и разупорядоченных с эффективной длиной затвора 30 nm была применена областей в cm-3, Nd — концентрация ионизованной методика анизотропного травления, позволяющего изгопримеси в 1015 cm-3, N1 — концентрация заряженных товить V-канавку в активном слое GaAs структуры и центров внутри разупорядоченной области, Fn — флюенс методом самосовмещения нанести металлизацию затвонейтронов в cm-2.

ра [10].

Классический характер движения частиц по отноше- Для исследования влияния точечных дефектов на нию к крупномасштабному потенциальному рельефу, транспорт носителей заряда в субмикронных структувозникающему вблизи разупорядоченной области [6] по- рах измерялись ВАХ и ВФХ ПТШ до и после обзволяет рассматривать рассеяние носителей заряда на лучения потоком протонов с энергией 30-90 keV и 5 Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 68 Н.В. Демарина, С.В. Оболенский Зависимость скорости электронов от электрического поля в области больших полей определялась с помощью измерений выличины остаточного сопротивления транзистора [9]. Экспериментальные данные, отмеченные на рис. 2 значками, соответствуют теоретически рассчитанным характеристикам.

Время релаксации импульса более чувствительно к присутствию в материале радиационных дефектов по сравнению с временем релаксации энергии. Это обясняется различием в механизмах, обусловливающих релаксацию. Электромагнитный характер взаимодействия носителей заряда с заряженными рассеивающими центрами обусловливает при столкновении сохранение энергии носителей, поэтому экспериментально зафиксировать деградацию времени релаксации энергии не удается.

Рис. 1. Зависимости относительной подвижности µ/µ0 от Для экспериментального измерения зависимости врефлюенса нейтронов Fn. Исходная концентрация легирующей мени релаксации импульса от напряженности электричепримеси, cm-3: 1 — 1015, 2 — 1016, 3 — 1017. Расчет ского поля после радиационного воздействия измерялись с помощью метода Монте-Карло ( — ), экспериментальные вольт-амперные характеристики транзисторов с затводанные (---), с помощью аналитических соотношений ром 30 nm. При этом ток стока определялся только дрей( —1015, —1016 cm-3).) фом электронов в области сильного поля под затвором, а диффузионная компонента тока была незначительна.

В этом случае время релаксации импульса p находилось дозой 0.01-0.3 µC. Источником излучения при провес помощью соотношения дении эксперимента явлалась установка ионного легирования ”Везувий”. Для исследования влияния разу m(E)dr(E) m(E)Id p W(E) = =, порядоченных областей измерялись ВАХ и ВФХ ПТШ qE q2EnS до и после облучения потоком нейтронов спектра деления со средней энергией 1 MeV на реакторе ВИР-2М.

где m — эффективная масса электрона, E —напряженИзменение электрофизических характеристик материала ность электрического поля, q — заряд электрона, n — после облучения приводит к деградации характеристик концентрация электронов, dr — дрейфовая скорость, транзистора, что подтверждается экспериментально поId — ток стока, S — площадь поперечного сечения лученными зависимостями тока стока, коэффициента канала.

усиления по мощности и коэффициента шума от флюенса нейтронов.

Концентрация и подвижность носителей заряда в канале транзистора (а также в прилегающем к каналу буферном слое) определлялись по ВАХ и ВФХ приборов при малых напряжениях на стоке по стандартной методике. Варьируя напряжение на затворе, удалось определить деградацию характеристик n-GaAs в диапазоне концентраций примеси от 5 · 1015 (буферный слой) до 5 · 1017 cm-3 (канал транзистора) при точности измерений 10-30% [11,12]. Экспериментальные измерения концентрации и подвижности показали, что их изменение хорошо описывается соотношениями [13,14] n = n0(1 - Fn), = 7.2 · 10-4n-0.77, µn = µn0(1 - bFn)-1, b = 7.8 · 10-6n-0.64, (1) Рис. 2. Зависимости дрейфовой скорости электронов dr где n0 (cm-3) — начальная концентрация свободных в n-GaAs от напряженности электрического поля E без радиационных дефектов (1) и с радиационными дефектами, электронов, n (cm-3) — концентрация электронов после созданными в результате облучения потоком протонов (2) воздействия нейтронов, Fn (cm-2) — флюенс нейтроннои нейтронов (3). 2 — Npd = 2.5 · 1016 cm-3, 3 — го облучения, µn0 (cm2/V · s) — первоначальная подвижNpd = 2.5·1016 cm-3, Ndr = 1014 cm-3; 2 — Npd = 2·1016 cm-3, ность электронов, µn — подвижность электронов после воздействия нейтронов. 3 — Npd = 2 · 1016 cm-3, Ndr = 1015 cm-3. Исходная конценЭкспериментально полученные зависимости подвижтрация легирующей примеси: 1–3 —1015; 1 –3 —1017 cm-3.

ности от флюенса нейтронов приведены на рис. 1 (штри- Кривые — результаты теоретического расчета с использованиховые кривые). ем метода Монте-Карло, значки — экспериментальные данные.

Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. Электронный транспорт в нанометровых GaAs структурах при радиационном воздействии каскадной модели Кинчина и Пиза [3] с привлечением экспериментальных данных о положении энергетических уровней и зарядовом состоянии дефектов [5]. Оценка подвижности электронов и n-GaAs проводилась с помощью соотношения Брукса–Херринга [9]. Для случая высокоомного материала (концентрация легирующей примеси Nd = 1015 cm-3) уменьшение подвижности в два раза имеет место при концентрации точечных дефектов, на порядок превосходящей Nd, а для низкоомного GaAs (Nd = 1017 cm-3) — сопоставимой с Nd. Это связано со слабой зависимостью подвижности от концентрации заряженных рассеивающих центров до величины последней порядка 1016 cm-3.

С использованием метода Монте-Карло было проведено сопоставление влияния заряженных точечных дефекРис. 3. Зависимости времени релаксации импульса p и энергии w электронов в n-GaAs от напряженности электрического тов и атомов ионизированной примеси на характеристиполя E без радиационных дефектов (1) и с радиационными ки GaAs. Было отмечено, что увеличение содержания дефектами, созданными в результате облучения потоком пров материале атомов примеси ведет к изменению характонов (2) и нейтронов (3). 2 — Npd = 2.5 · 1016 cm-3;

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.