Проводимость структур металл-нитрид-оксид-полупроводник при наличии сильного флуктуационного потенциала

Интерес к исследованию электронных свойств квазидвумерных электронных систем типа металлизоляторполупроводник, 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 электронэлектронного 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 2×1013 см" 2). С практической точки зрения актуальность данного исследования заключается в том, что исследованные в работе структуры типа МНОП (металлнитридоксидполупроводник), 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 2 В 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 квазиравновесном 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 квазидвумерных 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 структуро 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 квазиодномерной проводимости и особенностей проводимости после этого переходао Исследованы временные зависимости проводимости МНОП-структур при высокой концентрации источников флуктуационного потенциала и различных способах выведения системы из состояния равновесияо Построена модель объясняющая низкотемпературные свойства сильноразупорядоченных квазидвумерных МНОПструктуро Определены параметры флуктуационного потенциала в квазидвумерных МНОПструктурах 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 квазиодномерных структур поведение. А именно, на кривых зависимости проводимости структуры от потенциала затвора наблюдается область квазиплато с характерным значением проводимости равным кванту проводимости 2е2//г. Тем самым продемонстрирована возможность наблюдения квантоворазмерных эффектов в структурах макроскопических размеров- ^ Выяснено что, проводимость исследуемых структур определяется положением квазиуровня 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 /ЛПредставлена 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 системеОбнаружены 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

.

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

1. Показано, что проводимость квазидвумерных 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 квазиодномерной 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 квазиплато вблизи значений проводимости 2с2///, которое сменяется переходом от квазиодномерной к двумерной проводимости;

3. Исследованы температурные и магнитополевые зависимости проводимости квазидвумерных 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 квазиуровня 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.