1. Введение заполнения носителями заряда (рис. 1). Примечательно, что начиная с некоторого Vg > Vt в области пересечения Неомическая прыжковая проводимость по состояниям примесной зоны с уровнем Ферми формируется квавблизи уровня Ферми исследовалась ранее в аморфных зидвумерный (в дальнейшем Ч квази-2D) канал прыжполупроводниках, где часто наблюдается рост проводиковой проводимости. В этих условиях проводимость осумости с увеличением электрического поля E по закону ществляется в полосе состояний вблизи уровня Ферми (см. [1] и ссылки там) (область II, рис. 1), где соотношение числа пустых и заполненных мест приблизительно одинаково. В то вреCeErh мя как в областях, расположенных ближе к интерфейсу (E) = (0) exp, (1) kT (область I, рис. 1) и дальше от него (область III, рис. 1), превалируют либо заполненные, либо пустые состояния где e Ч абсолютная величина элементарного заряда, и проводимость практически отсутствует. При напряrh Ч средняя длина прыжка, C Ч численный коэфжениях на затворе Vg > Vt 2 В, когда канал квази-2D фициент. Между тем имеющиеся теоретические модели прыжковой проводимости уже сформирован, величина предсказывают в этих условиях не только закон (1), но проводимости по этому каналу практически не зависит и иной характер зависимости (E):
от напряжения на затворе, поскольку действие затворного напряжения в условиях однородного легирования ln (E) E2 или ln (E) E1/2.
сводится к сдвигу канала в глубь полупроводника без Численное моделирование также лишь качествен- изменения плотности состояний и соотношения между но описывает экспериментальную ситуацию, что, по- пустыми и заполненными местами. Постоянство (Vg) видимому, объясняется сложной и разнообразной припри Vg > 2 В иллюстрируется вставкой к рис. 1. Устародой локализованных состояний в аморфных материновлено также [3], что существенную роль в формироалах (дефекты, флуктукции состава, примеси и др.) вании данного канала играют флуктуации кулоновского и неточным знанием плотности их распределения в потенциала ионизованных примесей приповерхностной запрещенной зоне полупроводника [1].
области полупрводника, где примесная зона полностью Другой режим наблюдения прыжковой проводимости заполнена и не дает вклад в проводимость (область I, по состояниям вблизи уровня Ферми реализуется в тонрис. 1). При этом разброс состояний по энергии опредеких слоях легированного полупроводника в условиях эфляется известным механизмом, а именно, кулоновским фекта поля [2]. В этом случае с помощью напряжения на флуктуационным потенциалом. Заметим, что прыжковая полевом электроде (затворе) Vg, отделенном от полупропроводимость в полосе состояний вблизи уровня Ферми водника слоем изолятора, можно управлять положенирассматривалась лишь теоретически [4] в связи с известем уровня Ферми вблизи поверхности полупроводника ной задачей о существовании постоянной энергии актиотносительно примесной зоны и изменять степень ее вации 3 в ситуации, когда энергия для прыжка |i -j| и E-mail: aronzon@imp.kiae.ru разность между энергией Ферми и локализованными Неомическая прыжковая квазидвумерная проводимость и кинетика ее релаксации рого поля, закону, подобному закону ФренкеляЦПула:
ln (E) E1/2/kT, в отличие от аморфных полупроводников, где ln (E) E/kT.
Обнаружено также, что при резком уменьшении поля в кинетике перехода от неомического режима проводимости к омическому могут проявляться долговременные релаксации, характерные для стекольных систем.
Вначале мы рассмотрим температурное поведение электропроводности данных объектов и покажем, что оно действительно имеет все особенности, характерные для прыжковой проводимости в полосе состояний вблизи уровня Ферми [4], сформированной кулоновскими флуктуациями потенциала. Заметим, что ранее транспортные свойства этих объектов изучались лишь в области относительно высоких температур (> 7K) [2,3,5].
2. Образцы и температурная зависимость электропроводности в слабых полях Рис. 1. Зонная диаграмма транзисторной структуры метал - окисеЦполупроводник (MOS) на основе слабо компенсироИсследовались тонкие (0.5 мкм) слои p-Si с конценванного примесного p-Si. I Ч область отрицательно заряженных акцепторов, II Ч область (промежуточная) форми- трацией бора Na = 1018 см-3, снабженные двумя p+-конрования квазидвумерного канала прыжковой проводимости в тактами. Слои формировались на подложке n-Si(100) примесной зоне, III Ч область примесной зоны, практически (Nd = 1015 см-3) ионной имплантацией бора. Полевой полностью заполненной дырками или пустой для электроэлектрод с размерами 100 100 мкм из вырожденного нов. Ea, , Ev Ч энергетическое положение уровней акцепполикремния изолировался от p-Si слоем термического торов, уровня Ферми и края валентной зоны соответственно;
окисла толщиной 62 нм.
3 Ч энергия активации прыжковой проводимости в электроВ слабом продольном поле ( 10 В/см) измерялась нейтральной области. На вставке Ч зависимости проводимоэлектропроводность слоя p-Si в зависимости от пости структуры от напряжения на затворе при температуре тенциала полевого электрода Vg в области температур T = 10 (кривая 1) и 4.2 K(кривая 2).
4.2-20 K (при T > 20 K, как показали исследования эффекта Холла, существенный вклад в проводимость вносят свободные дырки [5]). Типичные зависимости состояниями |-j,i| близки.1 Расчеты [4] показывают, (Vg) при разных температурах показаны на вставке что в этом случае температурная зависимость проводик рис. 1. Эти зависимости демонстрируют возникновемости определяется механизмом с переменной длиной ние под влиянием напряжения на затворе Vg (эффект прыжка при температуре ниже некоторой Tc, однако поля) поверхностного канала обогащения (Vg < Vmin), при T 2Tc энергия активации постоянна, причем ее а в режиме обеднения (Vmin < Vg < Vin) Ч квази-2D величина связана простым соотношением с разбросом канала прыжкового транспорта по примесям бора [2].
состояний по энергии [4]:
Здесь Vmin Ч напряжение плоских зон, отвечающее минимуму кривых (Vg) =min и тем самым вкладу 3 =, (2) объемной проводимости слоя p-Si, Vin Ч напряжение Tc = 0.29 (N1/3rB)/k, (3) инверсии, которое в нашем случае составляет около 10 В. Заметим, что, по оценке (в приближении Шоттки), где Ч полуширина примесной зоны, N Ч число толщина слоя обеднения при приближении к инверсии состояний в единице объема, rB Ч их боровский радиус.
составляет 0.04 мкм, что существенно меньше толщины В данной работе представлены результаты исследоp-Si слоя (0.5 мкм).
вания неомической прыжковой проводимости в полосе Поверхностная прыжковая проводимость, как явсостояний вблизи уровня Ферми на примере слоев ствует из данных рис. 1, сначала возрастает, а при легированного, слабо компенсированного Si : B. УстаVg > Vt 2 В практически не изменяется вплоть до новлено, что зависимость электропроводности от пронапряжения инверсии. Другими словами, в нашем случае дольного электрического поля имеет в этом случае квази-2D канал прыжкового транспорта формируется пороговый характер и подчиняется, начиная с некотопри Vg 2 В. Величину его проводимости c можно В легированных полупроводниках обычно |-j,i | |i-j | и найти, вычитая из полной электропроводности структуэнергия активации совпадает с положением уровня Ферми относительно положения максимума плотности состояний [4]. ры (Vg) в области плато величину, соответствующую Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 846 Б.А. Аронзон, Д.Ю. Ковалев, В.В. Рыльков то из теории нелинейного экранирования [4] следовало бы ожидать его амплитуду V0 100 мэВ. Эксперимент, c однако, свидетельствует, что амплитуда V0 23 должна составлять 8 мэВ. Данное противоречие устраняется, если сделать естественное допущение, что электроны на атомах бора вблизи границы области I (рис. 1), отделяющей полностью заполненную и почти пустую примесную зону, являются подвижными и, с одной стороны, формируют квази-2D канал прыжкового транспорта, а с другой Ч экранируют флуктуационный потенциал.
Для нахождения амплитуды этого потенциала можно воспользоваться аналогией с задачей об экранировании двумерным электронным газом флуктуаций потенциала доноров, равномерно распределенных в окружающем слой электронов пространстве [7,8]. При этом Рис. 2. Температурные зависимости квази-2D прыжковой проводимости c (1) и проводимости структуры в условиях V0 = Ae2Ni/n, (4) плоских зон min (2) при напряжении на затворе, отвечающем где A Ч коэффициент порядка единицы, Ni Ч конминимальному значению.
центрация ионизованных центров, Ч диэлектрическая проницаемость полупроводника, n Ч поверхностная концентрация носителей заряда в двумерном канале.
вкладу объемной проводимости слоя p-Si, т. е. значеВ нашем случае Ni = Na, а n также определяется конние min: c =[ (Vg)-min], где Vg 2В [2,3]. Темперацентрацией акцепторов в пределах одного монослоя [2]:
турная зависимость квази-2D прыжковой проводимости 2/n Na. Следовательно, амплитуда случайного потенc(T ), полученная с использованием данной процедуры, c 1/циала V0 23 Ae2Na /. Заметим, что в объеме представлена на рис. 2. Для сравнения на рис. 2 также легированного слабо компенсированного полупроводниприведена зависимость проводимости структуры от темка p-типа энергия активации прыжковой проводимости f пературы в минимуме min(T ), т. е. в условиях плоских 1/3 = 3 = 0.99e2Na / [4]. Из сопоставления с презон. Видно, что проводимость min(T ) изменяется акти- f c дыдущим выражением видно, что величины 3 и f вационным образом с энергией активации 3 = 8.1 мэВ, f c должны быть линейно связаны: 23 A3. С учетом совпадающей с энергией активации 3 прыжковой проf c экспериментально найденных значений 3 и 3 получим водимости в объеме p-Si при том же уровне легироA 1, что представляется разумным.
вания [6]. На графике c(1/T ) в области относительТаким образом, представленный выше анализ темпено высоких температур также проявляется область с ратурной зависимости квази-2D прыжковой проводимопостоянной энергией активации, однако ее величина f сти c свидетельствует о том, что прыжковый транспорт c 3 = 3.9 мэВ заметно меньше (в 2 раза), чем 3. При в нашем случае осуществляется в полосе состояний T 6 K зависимость c(1/T ) начинает выполаживаться, вблизи уровня Ферми, причем разброс этих состояний что свидетельствует о переходе к режиму проводимости по энергии обусловлен случайным кулоновским потенс переменной длиной прыжка. Оценим температуру циалом. Далее мы рассмотрим область сильных электриперехода Tc к режиму проводимости с переменной ческих полей, где данное обстоятельство проявляется длиной прыжка, используя соотношения (2), (3) и экссущественным образом. В частности, будет показано, c периментально найденное значение 3 = 3 = 3.9 мэВ.
что основные закономерности в поведении c от проУчитывая, что радиус локализации легких дырок на дольного электрического поля хорошо объясняются в атомах бора в Si составляет rB = 23 [6], получим рамках модели Шкловского о неомической проводимоTc = 3.5 K. Согласно [4], переход к проводимости с сти перколяционных систем со случайным кулоновским постоянной энергией активации должен происходить потенциалом [9].
при T 2Tc, т. е. в нашем случае при T 7K, что хорошо согласуется с данными эксперимента.
3. Неомическая квази-2D прыжковая Рассмотрим теперь особенности энергетического уширения примесной зоны. Как отмечено выше, данное уши- проводимость и кинетика рение является следствием генерации флуктуацинного ее релаксации потенциала ионизованными атомами бора в приповерхностной области полупроводника, где примесная зона Известно, что нелинейность вольт-амперных характеполностью заполнена (рис. 1) [3]. Если полагать, что ристик (ВАХ) классических 2D систем с инверсионным случайный потенциал экранируется только объемными или встроенным каналами проводимости связана, как подвижными зарядами с концентрацией, равной кон- правило, с концентрационными эффектами [10]. Дейцентрации компенсирующих доноров (Nd = 1015 см-3), ствительно, увеличение тянущего продольного напряжеФизика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Неомическая прыжковая квазидвумерная проводимость и кинетика ее релаксации ния Vd на стоковом электроде в таких системах всегда сопровождается уменьшением концентрации носителей проводимости у стока и перераспределением электрического поля E вдоль канала, что приводит к сублинейному поведению ВАХ [10]. Подобный концентрационный эффект может иметь место и в нашем случае, с тем однако отличием, что он должен возникать пороговым образом при разности потенциалов между затвором и стоком структуры V =(Vg-Vd) 2 В, т. е. при истощении квази-2D канала прыжковой проводимости у стока.
В то же время при V 2 В продольное поле можно считать однородным, а его величину равной E = Vd/l, где l Ч расстояние между токовыми контактами, определяемое в данных структурах длиной затвора (100 мкм).
Несложно показать, что по сути это является следствием независимости величины проводимости c от ширины области пространственного заряда при Vg 2В. Важно, что данное обстоятельство позволяет исследовать неомичность квази-2D прыжковой проводимости в достаточно широком диапазоне полей при однородном его распределении вдоль канала, в частности, при напряжении на затворе, близком к инверсии (Vg 10 В) вплоть до полей E 800 В/см.
Pages: | 1 | 2 | 3 | Книги по разным темам