Проводимость структур металл-нитрид-оксид-полупроводник при наличии сильного флуктуационного потенциала тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Давыдов, Александр Борисович

• Давыдов, Александр Борисович
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Давыдов, Александр Борисович

стр.

Введение.

Глава1. Электронные свойства разупорядоченных ^ электронных систем

1.1. Квантовые эффекты проводимости

1.1.1 Плотность состояний 1 б

1.1.2. Баллистическая проводимость

1.1.3. Проводимость седловой области

1.2. Эффекты перколяционной проводимости

1.3. Некогерентная мезоскопика

1.4. Электронные стекла.

Глава 2. Образцы и методики

2.1. Объекты исследования

2.2. Характеристики флуктуационного потенциала

2.3. Критерий подбора образцов.

2.4. Экспериментальная установка и методики

Глава 3. Транспортные характеристики ВьМНОП структур (¡о

3.1. Эффект поля (

3.2. Температурная зависимость проводимости

3.3. Магнетополевые характеристики

3.3.1. Эффект Холла

3.3.2. Магнеторезистивный эффект

Глава 4. Релаксация проводимости БьМНОП структур

§о

4.1. Гистерезис проводимости при изменении потенциала затвора

4.2. Релаксация проводимости при выведении системы из стационарного состояния

4.3. Причины возникновения релаксационных явлений в исследуемых структурах

4.4. Природа релаксационных явлений

Глава 5. Оценка параметров перевальной области ФП

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Проводимость структур металл-нитрид-оксид-полупроводник при наличии сильного флуктуационного потенциала»

Интерес к исследованию электронных свойств квази- двумерных электронных систем типа металл- изолятор- полупроводник, связан с недостаточной изученностью их фундаментальных свойств. Несмотря на огромное число статей посвященных двумерному электронному газу и ряд монографий [1, 2] многие вопросы до сих пор остаются невыясненными. В первую очередь к ним относятся вопросы, связанные с проявлениями разопурядоченности объектов исследований, в частности относительной роли энергии электрон- электронного взаимодействия и флуктуационного потенциала. Это постоянно актуальный вопрос о локализации носителей (сильной и слабой), активно обсуждаемый вопрос-о переходе диэлектрик-металл в нулевом магнитном поле, особенности квантового эффекта Холла и т.д. Именно к этого типа вопросам относится вопрос о проявлении в двумерных макроскопических структурах свойств, характерных для одномерных микроструктур (квантование проводимости), обсуждаемый в этой диссертационной работе.

Статистические флуктуации локальной плотности зарядов, расположенных вблизи проводящего канала индуцируют хаотический потенциальный рельеф в канале двумерной проводимости транзисторной структуры - флуктуационный потенциал (ФП), оказывающий существенное влияние на электронные характеристики систем [1]. Эффекты, связанные с наличием в системе сильного ФП оказываются существенными даже при комнатных температурах. В первую очередь, это - локализация квази-2Б электронов в минимумах хаотического потенциального рельефа [3]. Кроме того, вследствие экспоненциального разброса локальной концентрации электронов в условиях сильного ФП проводимость таких разупорядоченных систем имеет перколяционный характер [4]. При этом электронный перенос в диэлектрической фазе осуществляется за счет переходов носителей заряда между ямами потенциального рельефа, формирующими перколяционный кластер, а механизм таких переходов через перевальные области флуктуационного потенциала определяет как полевые (от потенциала затворного электрода), так и температурные зависимости проводимости структуры.

Особый интерес в ситуации с перколяционной проводимостью представляют мезоскоттеские объекты, то есть объекты с размером вдоль распространения тока (длина между стоком и истоком структуры) сравнимым с характерным размером перколяционного кластера (размером ячейки сетки перколяционного кластера) или иначе - корреляционной длины перколяционного кластера в системе Ьс [4, 5]. Эффекты мезоскопики, хорошо известны на примере прыжковой проводимости [6], однако практически слабо изучены (на уровне демонстрации эффекта). Рассмотрение разупорядоченных квази-20 систем с сильным контролируемым ФП, где мезоскопические эффекты могут играть определяющую роль, открывает возможность более детального исследования этой области физики твердого тела и наблюдения интересных физических эффектов, таких как квантование проводимости.

Вышеизложенное определяет фундаментальный интерес к исследованиям данных объектов и актуальность данной работы. Будет рассмотрен случай, когда структуры типа полевого транзистора сильно разупорядочены действием зарядов, расположенных в подзатворном диэлектрике, т.н. «встроенного заряда», концентрацию которого можно контролируемо изменять. Основные исследования проведены для структур с концентрацией «встроенного заряда» вблизи предела возможного для использованного в работе типа структур, ограниченного пробивными полями подзатворного диэлектрика (около 2x1013 см"2). С практической точки зрения актуальность данного исследования заключается в том, что исследованные в работе структуры типа МНОП (металл- нитрид- оксид- полупроводник), как и многие современные низкоразмерные объекты на основе легированных полупроводниковых структур преимущественно разупорядочены вследствие причин одинаковой природы. А именно из-за высокого содержания встроенных в подзатворный диэлектрик зарядов (ионизированных примесей

12 13 2 с концентрацией 10 - 10 см").

Характерной особенностью рассматриваемых систем является возможность изменения в широких пределах как концентрации встроенного заряда, так и концентрации электронов в канале двумерной проводимости (20 электронов). Изменение концентрации 20 электронов, осуществляющих экранирование ФП [4], приводит также к изменению амплитуды ФП. Считается, что в 20 системах переход под действием эффекта поля к сильному ФП (т.е. к перколяционному режиму проводимости при малой концентрации 2В электронов) не приводит к существенному изменению кинетических коэффициентов (электропроводности и холловской подвижности) [7]. Между тем недавно было обнаружено [8] квантование проводимости короткоканальных транзисторов при гелиевых температурах. Это свидетельствует о кардинальном изменении характера электронного переноса в условиях сильного ФП, в частности, о переходе к квазиодномерному транспорту электронов.

В тоже время, любая сильно разупорядоченная система, не зависимо от природы и масштаба флуктуационного потенциала, а также размерности и материала из которого изготовлена система, является далекой от состояния полного термодинамического равновесия. Очевидно, что в таких системах можно ожидать наблюдение эффектов, связанных со стремлением системы занять более энергетически выгодное для нее состояние, т.е. со стремлением системы к состоянию полного термодинамического равновесия [9]. Наблюдение зависимостей проводимости от времени в таких система привлекает в последнее время всё большее внимание. Это связано в первую очередь с желанием оценить в какой мере адекватны проводимые ранее и в настоящее время эксперименты по изучению различных систем для которых характерно наличие беспорядка [9]. Теоретические предсказания, сделанные в [10] показывают, что на пути к состоянию полного термодинамического равновесия система преодолевает множество квази равновесных состояний, в которых она может находится длительное время без изменения наблюдаемых параметров системы, однако при переходе от одного квази равновесного состояния системы к другому ей параметры изменяются, а в состоянии полного термодинамического равновесия они могут кардинальным образом отличаться от её параметров в квази- равновесном состоянии. Как показывают исследования, в системах с сильным беспорядком можно наблюдать эффекты зависимости проводимости от времени с характерными временами до нескольких десятков часов [11]. Причем изменение проводимости при этом может достигать нескольких порядков величины.

Из вышесказанного можно заключить, что поведение систем с сильным ФП, особенно в случае структур малых размеров, до сих пор остается недостаточно изученным. Это обуславливает фундаментальный интерес к изучению механизмов проявления ФП в объектах пониженной размерности, актуальных для практического использования. Актуальность работы для практического применения также обусловлена тем, что в данной работе проводились исследования структур на основе наиболее технологичного материала современности - кремния.

Целью настоящей работы является изучение особенностей транспортных свойств квази- двумерных систем при наличии сильного флуктуационного потенциала. Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи: о Создана установка для проведения измерений температурных (в диапазоне 4.2 - 300 К), временных, полевых и магнитополевых (до 3 Тл) зависимостей проводимости структур в широком диапазоне значений проводимости структур ( от Ю"10- Ю^Сименс); о Исследованы зависимости проводимости от потенциала затвора при различных концентрациях источников флуктуационного потенциала и различных температурах для структур двух типоразмеров, с длинами каналов много больше и сравнимой с характерным размером ячейки ПК. Произведено сравнение поведения структур с длиной канала много большей характерного размера ячейки ПК и структур с длиной канала сравнимой с характерным размером ячейки ПК, выявлены мезоскопические особенности поведения короткоканальных структур; о Исследованы температурные, полевые (в зависимости от потенциала затвора) и магнитополевые зависимости проводимости структур с длиной канала меньшей корреляционной длины ПК с целью изучения перехода к квази- одномерной проводимости и особенностей проводимости после этого перехода; о Исследованы временные зависимости проводимости МНОП-структур при высокой концентрации источников флуктуационного потенциала и различных способах выведения системы из состояния равновесия; о Построена модель объясняющая низкотемпературные свойства сильноразупорядоченных квази- двумерных МНОП- структур; о Определены параметры флуктуационного потенциала в квазидвумерных МНОП- структурах на основе модельных расчетов, опирающихся на экспериментальные данные.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем: ^ Показано, что проводимость сильно разупорядоченных структур с длиной канала ~ 5 мкм, меньшей корреляционной длины перколяционного кластера в системе, может иметь характерное для квази- одномерных структур поведение. А именно, на кривых зависимости проводимости структуры от потенциала затвора наблюдается область квази- плато с характерным значением проводимости равным кванту проводимости 2е2//г. Тем самым продемонстрирована возможность наблюдения квантово- размерных эффектов в структурах макроскопических размеров; ^ Выяснено что, проводимость исследуемых структур определяется положением квази- уровня Ферми по отношению к перевальным областям флуктуационного потенциала. Определены температурные и магннтополевые зависимости проводимости данных структур. Показано, что знаки производной проводимости по температуре и магнетосопротивления изменяются при увеличении напряжения на затворе, причем смена знака происходит вблизи значений л проводимости е /Л; Представлена экспериментально обоснованная модель, объясняющая электрофизические свойства структур с длиной канала меньшей корреляционной длины перколяционного кластера в двумерной системе с сильным флуктуационным потенциалом;

Проведен анализ структуры перевальных областей флуктуационного потенциала и определены параметры флуктуационного потенциала в системе; Обнаружены долговременные (с характерным временем -10 минут) релаксации проводимости двумерных структур, которые по сути отражают свойства потенциального рельефа, сформированного флуктуациями потенциала при высокой концентрации встроенного заряда в подзатворном диэлектрике. Выявлена природа долговременных релаксаций проводимости.

Практическая значимость диссертации обусловлена тем, что полученные в настоящей работе данные позволяют оценить степень влияния беспорядка в системе на характер проводимости в ней при уменьшении размера структуры. Современная микроэлектроника стремится к миниатюризации отдельных частей микрочипов (транзисторов, диодов и прочих) с целью повышения интеграции и следовательно производительности. В связи с этим актуальны исследования свойств структур с размерами эффективной области, близкими к предельно возможным с точки зрения современной микроэлектроники (в случае данной работы характерный масштаб эффективной области образца ~ 30-100 А).

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитированной литературы из 63 наименований.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Давыдов, Александр Борисович

Заключение.

Полученные при выполнении диссертационной работы данные можно представить в виде нижеследующих основных результатов работы.

1. Показано, что проводимость квази- двумерных транзисторных структур с сильным флуктуационным потенциалом и длиной канала сравнимой с корреляционной длиной перколяционного кластера определяется одиночными перевальными областями потенциального рельефа и проявляет свойства, характерные для квази- одномерной проводимости;

2. Показано, что при изменении напряжения на затворе проводимость сильноразупорядоченных структур с длиной канала ~ 5 мкм, сравнимой с радиусом корреляции перколяционного кластера Ьс, демонстрирует наличие квази- плато вблизи значений проводимости 2с2///, которое сменяется переходом от квази- одномерной к двумерной проводимости;

3. Исследованы температурные и магнитополевые зависимости проводимости квази- двумерных структур. Показано, что производная проводимости по температуре и магнитосопротивление меняют свои знаки вблизи значений проводимости е /Л;

4. Экспериментально показано, что наличие сильного флуктуационного потенциала в системе приводит к появлению логарифмической зависимости проводимости системы от времени, к так называемой долговременной релаксации проводимости;

5. Предложена модель, объясняющая весь спектр полученных экспериментальных данных по электрофизическим свойствам двумерных структур с крупномасштабным флуктуационным потенциалом;

6. Продемонстрировано, что в рамках предложенной модели на основе результатов измерения проводимости можно оценить параметры флуктуационного потенциала в системе и их зависимость от основного параметра системы - потенциала затвора, линейно связанного с положением квази- уровня Ферми в системе;

7. Из данных по исследованию зависимостей проводимости от температуры на основе модельных расчетов получен эффективный профиль потенциального барьера, определяющего туннельный транспорт носителей в перевальных областях флуктуационного потенциала.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Давыдов, Александр Борисович, 2005 год

1. Андо Т., Фаулер А., Стерн Ф. Электронные свойства двумерных систем:

2. Пер. с англ.- М.: Мир, 1985.-415 стр. 3. Кульбачинский В.А. Двумерные, одномерные, нульмерные струтуры и сверхрешетки. Изд-во. Физического факультета МГУ, 1998. - 162 стр.

3. Гергель В. А., Сурис Р. А. Теория поверхностных состояний и проводимости в структурах металл-диэлектрик-полупроводник. // ЖЭТФ.- 1983.-Т.84, с.719.

4. Шкловский Б.И., Эфрос АЛ. Электронные свойства легированных полупроводников. М.: Наука, 1979. -416 стр.

5. Brews J.R. Surface potential fluctuations generated by interface charge inhomogenities in MOS devices // J.Appl.Phys. 1972. v.43. №5. p.2306.

6. Звягин И.П. Кинетические явления в неупорядоченных полупроводниках.- Изд-во. Моск. Университета, 1984.

7. Дыхне A.M. Проводимость двумерной двухфазной системы. // ЖЭТФ.1970.- т.59, с. 110.

8. Rylik A.S., Orlov А.О., Laiko E.I. Quantum quasi one dimensional transportand experimental study of potential fluctuations in GaAs/AiGaAs heterostructures. // Phys.Low-Dimens.Structures.- 1994.- №3.- c.67.

9. D.N.Tsigankov and A.L.Efros. Crossover from percolation to diffusion. // Phys.Rev. B, v.63, 132301 (2001).

10. Z.Ovadyahu, M.Pollak. Disorder and Magnetic Field Dependence of Slow У Electronic Relaxation. PRL 79, 459 ( 1997).

11. Л .Vaknin, Z.Ovadyahu, M.Pollak. Aging Effects in an Anderson Insulator PRL 84 (15), 3402-3405 (2000).

12. А.Б. Давыдов, Температурная зависимость проводимости в квази двумерных сильноразупорядоченных структурах металл- диэлектрик-полупроводник в условиях проявления квантования кондактанса, Радиотехника и электроника, т. 45, № 7, стр. 845 (2000).

13. A. Davydov, N. Chumakov, В. Aronzon, A. Vedeneev, D. Bakaushin, J. Galibert, J. Leotin, Experimental study of saddle point conductance in strongly disordered Si-MNOS structure at high magnetic field, Physica B, 298(1-4), pp. 491-495 (2001).

14. А.Б.Давыдов, Б.А.Аронзон, Долговременные релаксации проводимости квази- двумерных сильноразупорядоченных МДП структур, ФТП, т.38, вып. 6, стр. 693-698 (2004).

15. В.Aronzon, A. Davydov, D. Kovalev, V. Rylkov, Nonlinear hopping conductivity and glassy behavior of Si-based MOS structures, 10 International conference on Hopping and related phenomena, Trieste, Italy (2003).

16. B.A.Aronzon, D.A.Bakaushin, A.B.Davydov, M.A.Feklisov, A.S.Vedeneev. Quantum conductance of disordered Si-MOS FET structures with inversional p-channel. Proceedings of the 12-th International Symposium

17. NANOSTRUCTURES: Physics and Technology". St. Petersburg, Russia, p. 344 (2004).

18. А.С.Веденеев, Д.А.Бакаушин, М.А.Феклисов, Б.А.Аронзон, А.Б.Давыдов.

19. Разупорядоченные полевые транзисторы на основе Si: перколяционные и мезоскопические явления, квантование проводимости. Тезисы доклада на 1-ой Всероссийской конференции по наноматериалам НАНО-2004, Москва, стр.203 (2004).

20. А.А. Абрикосов. М.: Наука, Введение в теорию нормальных металлов 1972. стр. 146-161.

21. Buttiker M. Quantized transmission of saddle-point constriction. // Phys.Rev.B, 1990, v.41 (11), p.7906.

22. Broadbent S.R., Hammersley J.M. Percolation processes. 1.Crystals and mazes.- Proc. Camb. Phil. Soc., 1957, v.53, p.629.

23. Орлов A.O. Мезоскопические эффекты в прыжковой проводимости канала пполевого GaAs транзистора. // Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-матаматических наук. Москва, 1990.

24. Супрунчик В.В. Прыжковый транспорт в слоях кремния с низким содержанием атомов примеси. //ЖЭТФ, 1996, т. 110, вып.6, с.2127.

25. Yakimov A.I., Stepina N.P., Dvurechenskii A.V. Incoherent mesoscopic phenomena in amorphous silicon microstructures. // Phys. Low-Dim. Struct., 6(1994). p.75.

26. Райх М.Э., Рузин И.М. Мезоскопическое поведение температурной зависимости поперечной прыжковой проводимости аморфной плёнки. // Письма в ЖЭТФ, 1986, т.43, в.9, с.437-439.

27. Fowler Л.В., Hartstein Л., Webb R.A. Conductance in restricted-dimensionality accumulation layers. // Phys.Rev.Lctt., 1982, v.48 (3), p. 196199.

28. Лайко Е.И., Орлов A.O., Савченко A.K., Ильичёв Э.А., Полторацкий Э.А. Отрицательное магнетосопротивление и осцилляции прыжковой проводимости короткого электронного канала в полевом GaAs-транзисторе. // ЖЭТФ, 1987, т.93, в.6, с.2204-2218.

29. Орлов А.О., Райх М.Э., Рузин И.М., Савченко А.К. Статистические свойства мезоскопических флуктуаций проводимости короткого канала полевого GaAs-транзистора. // ЖЭТФ, 1989, т.96, в.6, с.2172-2184.

30. Глазман Jl.И., Лесовик Г.Б., Хмельницкий Д.Е., Шехтер Р.И. Безотражательный квантовый транспорт и фундаментальные ступени баллистического сопротивления в микросужениях. // Письма в ЖЭТФ, 1988, т.48, в.4, с.218-220.

31. J.H.Davies, P.A.Lee, T.M.Rice. Electron Glass. PRL 49, 758 (1982).

32. S.Bogdanovich, D.Popovich. Glass transition in a two-dimensional electron system in silicon. Physica E, 12, 604 (2002).

33. D.L.Staebler, C.R.Wronski. Reversible conductivity changes in. discharge-produced amorphous Si. Appl. Phys. Lett. 31, 292 (1977).

34. А.Г.Казанский, Э.В.Ларина. Релаксация созданного освещением метастабилыюго состояния a-Si :Н р-типа, легированного бором. ФТП, 32(1), 117(1998).

35. V.M.Pudalov, M.E.Gershenson, H.Kojirna. Memory Effects in Electron Transport in Si Inversion Layers in the Dilute Regime: Individuality versus Universality, cond-mat/0201001 (2002).

36. И. JI. Дричко, Л. M. Дьяконов, В. В. Преображенский, И. Ю. Смирнов,

37. А. И. Торопов. Взаимодействие поверхностных акустических волн с двумерным электронным газом в условиях спинового расщепления зон Ландау. ФТП 33 979 (1999)

38. С. Зи. Физика полупроводниковых приборов. (М.: Мир. 1984.). т.2, стр. 78 -90.

39. Гергель В.А., Шпатаковская Г.В. Флуктуационные поверхностные состояния и проводимость инверсионных слоев в МДП-структурах. // ЖЭТФ. 1992. т. 102. вып.2(8). с.640.

40. Efros A.L., Pikus F.G., Burnett V.G. Density of states of a two-dimensional electron gas in a long-range random potential. // Phys. Rev. B. 1993. v.47. No.47. p.2233.

41. У-> 51. Efros A.L. Non-linear screening and the background density of 2DEG statesin magnetic field. // Solid State Commun. 1988. v.67. No 11. p.1019.

42. Nicollian E.N., Brews J.R. MOS Physics and Technology. N.Y.: Willey. 1982. 906 p.

43. Гергель B.A., Сурис P.A. Исследование флуктуаций поверхностного потенциала в структурах металл-диэлектрик-полупроводник. // ЖЭТФ. 1978. т.75. вып.1. с. 191.

44. А.С.Веденеев, В.А.Гергель, А.Г.Ждан, В.Е.Сизов, Письма в ЖЭТФ 58, 368(1993).

45. Б.А. Аронзон, А.С. Веденеев, В.В. Рыльков. ФТП, 31, 648 (1997).

46. A. Kamenev and W. Kohn. Landaurer conductance without two chemical potentials. Phys.Rev. В 63, 155304 (2001); A.Kamenev, and W.Kohn. arXiv: cond-matt/0103488 (2001).

47. D.G.Polyakov, B.I.Shklovskii. Universal Prefactor of Activated Conductivity in the Quantum Hall Effect. Phys.Rev.Lett., 74, 150 (1995).

48. E.Arnold. Disorder induced carrier localization in Si surface layers. Appl.Phys.Lett. 25, 705 (1974).

49. Н.Мотт, Э.Дэвис. Электронные процессы в некристаллических веществах, т.1, М.: Мир (1982).

50. Y. Meir. Percolation-Type Description of the Metal-Insulator Transition in Two Dimensions. Phys.Rev.Lett. 83,3506(1999).

51. R. Landauer. Electrical Transport in Open and Closed. Systems. Z.Phys., 68, 217(1987).

52. B.JI. Бонч-Бруевич, И.П. Звягин, P. Кайпер, А.Г. Миронов, Р. Эндерлайн, Б. Эссер. Электронная теория неупорядоченных полупроводников. М., Наука. (1981) с.383.

53. А.В.Ржанов Электронные процессы на поверхности полупроводников. М., Наука (1971).