WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 1 Зарядовые эффекты, контролирующие токовый гистерезис и отрицательное дифференциальное сопротивление в периодических наноразмерных структурах Si/CaF2 © Ю.А. Берашевич, А.Л. Данилюк, А.Н. Холод, В.Е. Борисенко Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, 220013 Минск, Белоруссия (Получена 16 апреля 2001 г. Принята к печати 14 июня 2001 г.) Предложена кинетическая модель переноса носителей заряда в периодических наноразмерных структурах Si/CaF2 по локализованным состояниям в диэлектрике. Показано, что возникновение встроенного электрического поля в диэлектрике в результате поляризации захваченного локализованными центрами заряда и последующий разряд этих центров объясняют гистерезис вольт-амперных характеристик при смене полярности приложенного внешнего напряжения и приводят к появлению участка отрицательного дифференциального сопротивления на этих характеристиках. Наиболее значимым фактором в появлении отрицательного дифференциального сопротивления в исследуемых структурах является плотность носителей заряда на контактах и величина зарядового напряжения. При температуре ниже 250 K участок отрицательного дифференциального сопротивления исчезает. Показано, что при экспериментальной регистрации вольт-амперных характеристик эффект от заряда–разряда локализованных центров должен уменьшаться при увеличении временного интервала измерения тока при постоянном напряжении и увеличении шага изменения приложенного напряжения и практически исчезает при 20 с и 0.6 В соответственно.

1. Введение 2. Теоретическая модель Перенос носителей заряда рассмотрен для периодичеИнтерес к наноразмерным структурам, образующим ской наноразмерной структуры кремний–диэлектрик [4].

систему квантовых ям, возник несколько десятилетий наОна состоит из N квантовых ям Si, разделенных N +1позад в связи с возможностью построения на их основе притенциальными барьерами CaF2. Предполагается, что боров с отрицательным дифференциальным сопротивструктура является беспримесной. Транспорт носителей лением (ОДС). Эффект ОДС в этих структурах возниказаряда через такую структуру предполагается посредет вследствие резонансного туннелирования носителей ством следующих электронных процессов: инжекция заряда [1]. Впервые этот эффект был обнаружен и в носителей заряда из контактов; захват носителей на последующем глубоко исследован в полупроводниковых локализованные состояния в диэлектрике и их опустосоединениях AIIIBV [2].

шение; рекомбинация неравновесных носителей заряда в В настоящее время большое внимание уделяется наполупроводнике. Кинетика изменения заряда в i-й кванноразмерным структурам на основе Si, основное претовой яме структуры описывается следующей системой имущество которых связано с хорошо развитой техноуравнений [5]:

логией изготовления интегральных микросхем. Недавdni но эффект ОДС был экспериментально обнаружен при = gt (ni-1, ni) +gt (ni+1, ni) n,i-1 n,i+dt комнатной температуре в периодических наноразмерных структурах Si/CaF2 [3], выращенных на подложках - gt (ni, ni-1) - gt (ni, ni+1) - ini pi, (1) n,i n,i монокристаллического Si с ориентацией (111). Было показано, что наблюдаемый эффект связан с заряdpi = gtp,i+1(pi+1, pi) +gtp,i-1(pi-1, pi) довыми свойствами систем кремний–диэлектрик [3,4].

dt Однако механизм его возникновения и закономерно- gtp,i(pi, pi-1) - gtp,i(pi, pi+1) - ini pi, (2) сти проявления не получили детального теоретического описания.

где i — период структуры (i = 1... N), ni(pi) — конценЦель данной работы состоит в анализе механизма трация электронов (дырок) в i-м слое полупроводника;

переноса носителей заряда в периодических наноразмерgt — темп переноса электронов (дырок) через i-й n(p),i ных структурах кремний–диэлектрик, выявлении услослой диэлектрика с участием ловушек; i — коэффивий возникновения эффекта ОДС в них, а также разра- циент рекомбинации электронов и дырок в i-м слое ботке модели транспорта носителей заряда по локализо- полупроводника.

ванным состояниям в диэлектрике с учетом динамики Свойства локализованных состояний зависят от типа захвата носителей на эти состояния, их переноса и кристаллической решетки материалов, условий и споосвобождения. соба формирования структуры. Основными причинами 92 Ю.А. Берашевич, А.Л. Данилюк, А.Н. Холод, В.Е. Борисенко возникновения таких состояний служат стехиометрические дефекты кристаллической решетки, структурные дефекты, в частности образованные в результате обрыва связей [6]. Локализованные состояния ведут себя как ловушки, способные захватывать носители заряда, и тем самым контролируют поток инжектированных с контактов носителей заряда и определяют вольт-амперные характеристики (ВАХ). В монокристаллических веществах энергетические уровни ловушек в запрещенной зоне обычно являются дискретными и характеризуются энергией Et.

Положение ловушечного уровня для периодических структур Si/CaF2 было определено в работе [7] как тангенс угла наклона зависимости ln(J/V ) от обрат-ной температуры T, где J —ток, V — потенциал. Рис. 1. Энергетическая диаграмма периода структуры Si/CaFи перенос носителей заряда в ней: 1 — захват носителя заряда При отсутствии внешнего смещения энергия уровня из зоны проводимости кремния на ловушку в диэлектрике, равна 0.35 эВ и линейно уменьшается с ростом V, 2 — туннельный перенос носителей заряда по ловушечному т. е. Ea = EC(V) - Et - qV, где q — заряд электрона. Это уровню в диэлектрике, 3 — туннелирование носителя с лоне укладывается в модели Пула–Френкеля и Шоттки, вушки в потенциальную яму.

согласно которым энергия активации ловушки определяется как Ea = EC(V) - Et - V1/2, где — коэффициент пропорциональности. Кроме того, в структурах Si/CaFвысота потенциальных барьеров составляет Un = 3.оценки [5] и экспериментальные данные [7] показывают, и Up = 7.6 эВ для электронов и дырок соответственчто его вероятность мала по сравнению с переносом но [8]. Поэтому, если Ea = 0.35 эВ, то надбарьерчерез ловушки в области температур 200-300 K.

ный активационный перенос по ловушкам исключен Вероятность перехода захваченных носителей заряда ввиду практически его нулевой вероятности. Однако, через i-й слой диэлектрика по ловушечным состояниям согласно экспериментальным данным, при уменьшении и последующий их переход в i-ю квантовую яму опредетемпературы от 300 до 150 K ток падает на несколько ляется как [10] порядков [7].

На основе приведенных данных предполагаем, что пе m ренос носителей заряда в наноразмерных периодических Dn(p),i(D) = (pm)m! n(p),i(D), (3) структурах осуществляется как путем туннелирования m=через потенциальные барьеры, так и по системе локагде лизованных состояний в запрещенной зоне диэлектрика.

(Haa2dD)m При этом измеряемая экспериментально энергия есть pm = exp(-Haa2dD) m! ничто иное, как энергия термоактивированного захвата носителей заряда на ловушки в квантовой яме, равная — вероятность расположения m ловушек на траектории Et - Eg/2-qs,i (для собственного полупроводника), где движения носителей заряда через диэлектрик;

s,i — падение потенциала в i-й яме полупроводника, Eg — ширина запрещенной зоны Si. Движение захва- n(p),i (-D) ченных носителей заряда в диэлектрике осуществляется -0.a посредством туннельных переходов с одной ловушки = -2m -qUn(p) + Et - qD,i a n(p) dD на другую. При этом расстояние между дефектами, создающими локализованные состояния, должно быть — вероятность туннельного перехода захваченного нопорядка a = (1-4)a0, где a0 — постоянная решетки.

сителя заряда обратно в (i - 1)-ю яму [10]; m — n(p) Столь высокая концентрация дефектов свидетельствуэффективная масса электрона (дырки); dD —толщина ет о том, что они являются собственными дефектами диэлектрика; D,i — падение потенциала в i-м слое матрицы CaF2, образующимися, например, вследствие диэлектрика. Количество состояний на траектории двиразрыва связей Ca-F [9]. При приложении внешнего жения носителей заряда по ловушечному уровню связано напряжения движение электронов будет осуществляться с толщиной барьера, расстоянием между ловушечными преимущественно в направлении внешнего поля. Опицентрами и величиной отклонения траектории движения санные процессы переноса носителей заряда по уровню от прямолинейной [10].

ловушек в диэлектрике представлены на энергетической диаграмме i-го периода структуры Si/CaF2 на рис. 1. Кинетику изменения плотности носителей заряда, наПрямое туннелирование носителей заряда через барьер ходящихся в i-м слое диэлектрика, за счет процессов при моделировании не учитывается, так как расчетные зарядки и разрядки локализованных состояний в нем Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. Зарядовые эффекты, контролирующие токовый гистерезис и отрицательное дифференциальное... записываем в виде Накопленный заряд в тонком слое диэлектрика перераспределяется и поляризуется внешним приложенным dnt i потенциалом. Это учитываем с помощью уравнения = ni-1nt(s) 1 - Dn,i(D) i dt Пуассона для слоя диэлектрика + nint(-s) 1 - Dn,i(-D), (4) i dD,i d q(nt - pt) i i = - (10) dx dx 0D dpt i = pi pt(s) 1 - Dp,i(D) i dt и слоя полупроводника + pi-1 pt(-s) 1 - Dp,i(-D), (5) ds,i d q(ni - pi) i =. (11) dx dx 0s где — коэффициент захвата носителей заряда на ловушки, определяемый произведением сечения захвата S Решения (10) и (11) сшиваются на границах раздела и тепловой скорости носителей заряда по потенциалу и напряженности поля с учетом полного 1/2 падения потенциала в структуре:

kBT T =, N+2m n(p) (D,i + s,i) =Vbias, (12) i=где kB — постоянная Больцмана; nt(s), pt(s) — i i плотности носителей заряда, захваченных на ловушки, где Vbias — внешнее смещение, 0 — диэлектрическая которые зависят от концентрации пустых ловушек и постоянная вакуума, s, D — относительные диэлектримогут быть определены как ческие проницаемости полупроводника и диэлектрика соответственно.

HaDt(s) i Решение системы уравнений (4), (5), (8)–(13) проnt(s) =, (6) i 1 + Dt(s) i водилось для случая, когда лимитирующим процессом является захват носителей заряда на ловушечные состогде Ha — суммарная плотность пустых и заполненяния, в предположении, что толщины слоев диэлектрика ных ловушечных состояний в диэлектрике; Dt(s) — i и полупроводника, коэффициент рекомбинации, энергефункция заполнения ловушечных уровней носителями тическое положение локализованных состояний и отнозаряда из (i - 1)-й квантовой ямы с учетом их обратного сительные диэлектрические проницаемости материалов перехода в ту же яму для случая однородного пространодинаковы для всех периодов структуры. Концентрация ственного распределения ловушек, равная [11] носителей на электронном и дырочном контактах полаEt - Eg/2 qs,i-галась одинаковой и равной nk.

Dt(s) = exp - exp i kBT kBT 3. Результаты расчетов 1 - n(p),i (-D), (7) и их обсуждение где — фактор вырождения уровней ловушек ( = 2).

Из результатов проведенных экспериментов [3,4,7,12] С учетом записанных выражений (4), (5) система следует, что ВАХ J(Vbias) периодической структуры уравнений (1), (2), описывающая кинетику изменения Si/CaF2 зависят от ее геометрии, а также от условий концентрации электронов и дырок в i-й яме, принимает электрических измерений, таких как величина и временвид ной интервал изменения внешнего смещения. Поэтому моделирование ВАХ проводилось с учетом перечисленdni = ni-1nt(s)Dn,i(D) - nint(-s)Dn,i(-D) i i ных факторов. Параметры, использованные в расчетах, dt приведены в таблице.

+ ni+1nt+1(-s)Dn,i+1(-D) i На рис. 2 представлены результаты моделирования ВАХ структуры, состоящей из N = 4 периодов Si/CaF2.

- nint+1(s)Dn,i+1(D) - ini pi, (8) При изменении напряжения от -Vmax до +Vmax и наi оборот наблюдается гистерезис ВАХ. Это обстоятельство связано с возникновением внутренних полей dpi = pi+1pt+1(s)Dp,i+1(D) в диэлектриках при поляризации захваченного заряда, i dt направление которых противоположно внешнему полю.

- pi pt+1(-s)Dp,i+1(-D) При этом изменение направления тока происходит при i ненулевом потенциале, когда внутренние поля уравнове+ pi-1pt(-s)Dp,i(-D) i шивают внешнее поле.

Кроме того, ВАХ характеризуется ярко выраженным - pi pt(s)Dp,i (D) - ini pi. (9) участком ОДС. Максимум тока ОДС находится в области i Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 94 Ю.А. Берашевич, А.Л. Данилюк, А.Н. Холод, В.Е. Борисенко Параметры, используемые для моделирования переноса носиУвеличение числа периодов структуры является прителей заряда в слоистых структурах Si/CaFчиной исчезновения участка ОДС, так как приводит к уменьшению падения потенциала на одном периоде Параметр Величина структуры и соответственному снижению накопления Толщина слоя CaF2 2нм заряда в каждом слое диэлектрика, хотя общая способТолщина слоя Si 1.5 нм ность структуры к накоплению заряда не изменяется, как Число периодов 4-это показано на рис. 4. При увеличении числа периодов Эффективная масса электрона 0.35m0 [13] происходит сглаживание участка ОДС и снижение токоЭффективная масса дырки 0.42m0 [13] вого максимума.

Относительная диэлектрическая 5 [14] Степень заполнения ловушек зависит от концентрапроницаемость CaFции носителей заряда на контактах и от приложенного Относительная диэлектрическая 7.5 [14] проницаемость Si потенциала. Результаты расчета ВАХ в зависимости Плотность носителей заряда на контактах 1024-1025 м-от концентрации носителей на контактах показаны на Плотность ловушек 1026 м-рис. 5. Из полученных данных можно заключить, что Сечение захвата носителей заряда 10-21 мна ловушки Энергетическое положение ловушечного 0.35 эВ [7] уровня (Et - Eg/2) Временной интервал поддержания 1-20 с постоянного напряжения Шаг изменения напряжения 0.1-0.6В нулевого потенциала. Этот максимум уменьшается и смещается в область положительных напряжений по мере роста временного шага изменения внешнего напря жения смещения (рис. 3). С ростом указанного шага гистерезис ВАХ также становится менее выраженным.

Смещение нулевого тока и образование ОДС в данном случае связаны с процессами заряда и разряда локализованных состояний в диэлектрических слоях периодичеРис. 2. Гистерезис вольт-амперной характеристики структуры ской структуры при пошаговом приложении внешнего Si/CaF2 при смене полярности внешнего смещения и параменапряжения смещения. При определенном шаге изметрах расчета: tS = 1с; N = 4, nk = 5 · 1024 м-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.