Введение к работе
Актуальность темы
Прогресс в физике и технологии гетероструктур [1] стимулировал интерес к изучению систем с пониженной размерностью, предельным случаем которых являются нуль-мерные системы, состоящие из массива атомных кластеров или островков нанометровых размеров в полупроводниковой матрице. Хотя кластеры или островки обладают конечными размерами, их принято называть квантовыми точками (КТ). Предсказываемое теоретически и наблюдаемое экспериментально квантование энергетического спектра носителей заряда в квантовых точках формирует особенности в транспорте носителей, электрических и оптических характеристиках таких структур. Полупроводниковые структуры с квантовыми точками характеризуются рядом новых явлений и свойств, представляющих интерес для проведения фундаментальных исследований и привлекательных в микро- и наноэлектронике. Достоинствами фотоприемных устройств на гетероструктурах с квантовыми точками являются: возможность управления спектральной полосой поглощения и излучения путем заселения состояний с требуемой энергией; снятие запрета на оптические переходы, поляризованные в плоскости фотоприемника, ожидаемое увеличение времени жизни фотовозбужденных носителей. Использование слоев нанокластеров (НК) Ge в качестве плавающего затвора МДІ1 структуры, позволяет увеличить время хранения заряда в энергонезависимых элементах памяти. Эффект поля в транзисторах, проводящий канал которых включает слой нанокластеров Ge, является информативным инструментом для изучения эффектов электронных корреляций и размерного квантования. Перенос заряда по цепочкам или массиву туннельно-связанных квантовых точек, лежит в основе работы одноэлектронных транзисторов, имеющих важное практическое применение в электронике нового поколения.
В настоящее время наиболее перспективный метод формирования квантовых точек
основан на эффектах самоорганизации полупроводниковых наноструктур в гетероэпитаксиальных системах. Упругие деформации в эпитаксиальной пленке и островках на ее поверхности являются ключевым фактором как в морфологическом переходе от плоской пленки к островковой (механизм Странского-Крастанова), так и в последующих изменениях размеров, формы и пространственного распределения островков. Эффекты самоорганизации (упорядочения) заключаются в появлении в системе островков предпочтительных размеров, формы, расстояний между нанокластерами и их взаимного расположения.
Судя по количеству публикаций, среди гетеросистем с самоформирующимися квантовых точек наиболее изучены системы InAs на подложке GaAs и Ge на подложке Si. Интерес к нанокластерам Ge в кремнии связан с рядом обстоятельств: 1) успехи в технологии получения однородного массива нанокластеров Ge высокой плотности (> 10 см" ); 2) размеры нанокластеров (~ 10 нм) уменьшились до величин, обеспечивающих появление эффектов размерного квантования [2].
Успехи в технологии синтеза слоев Ge/Si с квантовыми точками Ge создали основу для создания приборных структур, использующих в своей работе одноэлектронные и квантово-размерные эффекты. Важными для практических применений особенностями разработанных устройств являются: 1) использование в качестве базового материала кремния, позволяющее легко интегрировать новые элементы в современную технологию сверхбольших интегральных схем; 2) высокие рабочие температуры квантовых приборов, что является необходимым условием их приложения на практике.
С появлением структур с квантовыми точками традиционные и хорошо технологически разработанные, однако не прямозонные, полупроводники Si и Ge получили перспективу перейти в класс оптических материалов, которые могут реально использоваться в качестве активного элемента излучателей и фотодетекторов. В большой мере именно с этим можно связать устойчивый рост интереса к квантовым структурам на основе Ge/Si. Физические эффекты, наблюдаемые в таких структурах, в последние годы становятся основой создания новой элементной базы для оптоэлектронных устройств и
приборов микро- и наноэлектроники: кремниевых полевых транзисторов с квантовыми точками в канале и элементов электронной памяти.
Целью настоящей работы являлось исследование механизмов протекания тока, формирования фотоотклика и зарядового состояния, лежащих в основе работы приборных устройств на базе гетероструктур Ge/Si с квантовыми точками Ge.
Задачи исследования:
- разработка основных технологических операций формирования приборов на
основе гетероструктур Ge/Si с квантовыми точками Ge, изготовление лабораторных
макетов устройств.
- исследование электрофизических и фотоэлектрических явлений в гетероструктурах
Ge/Si с квантовыми точками в зависимости от широкого набора технологических
параметров, используемых при изготовлении приборов.
- установление механизмов протекания тока, формирования фотоотклика и
зарядового состояния, лежащих в основе работы приборов.
Научная новизна работы состоит в следующем:
В Ge/Si p-i-n фотодиодах с волноводной геометрией, содержащих слои квантовых точек Ge, обнаружено увеличение квантовой эффективности в области длин волн 1.3-1.5 мкм, связанное с эффектом многократного внутреннего отражения и поглощения света.
Установлено, что перенос заряда в канале кремниевых МОП транзисторов с квантовыми точками Ge осуществляется в условиях прыжкового механизма проводимости по ближайшим соседям с участием локализованных состояний, формирующихся в результате размерного квантования энергетического спектра дырок в Ge. Определены энергии размерного квантования и кулоновского взаимодействия дырок.
Показано, что импульсное воздействие пучком собственных низкоэнергетических ионов в процессе осаждения Ge на поверхность туннельного Si02 приводит к снижению
скорости десорбции Ge с поверхности окисла, увеличению плотности нанокластеров, уменьшению среднего размера и дисперсии по размерам в сравнении с осаждением без ионного воздействия, что позволило создать плотный массив однородных по размерам нанокластеров германия на диэлектрике, лежащих строго в одной плоскости.
Для слоев аморфного и поликристаллического кремния, осажденных поверх Ge островков, получены зависимости скорости окисления от температуры процесса и толщины слоев. Показано, что из-за напряжений в структуре наноостровки германия окисляются медленнее, чем окружающий кремний. Найдены условия селективного окисления поликремния и получены структуры с захороненными в диэлектрике нанокристаллами германия.
Практическая значимость работы:
Показана принципиальная возможность использования для изготовления электронных и оптоэлектронных приборов новых наноструктурированых материалов -гетероструктур Ge/Si с квантовыми точками Ge. Важными для практических применений особенностями разрабатываемых устройств являются: 1) использование в качестве базового материала кремния, позволяющее легко интегрировать новые элементы в современную технологию сверхбольших интегральных схем; 2) высокие рабочие температуры квантовых приборов (вплоть до комнатной), что является необходимым условием их приложения на практике.
Разработан новый подход к созданию кремниевых полевых транзисторов, основанный на встраивании в канал полевого транзистора слоев квантовых точек Ge, формирующихся при гетероэпитаксии на Si. Реализованы конструкции фотодетекторов для ближней ИК области спектра, принцип которых основан на межзонных оптических переходах в слоях квантовых точек Ge/Si. Разработаны основные технологические операции формирования встроенных в SiO^ кристаллических нанокластеров Ge, с использованием которых изготовлены макеты ячеек памяти.
Положения, выносимые на защиту:
1. В неохлаждаемых фотоприемных элементах, сформированных на основе
многослойных гетероструктур Ge/Si с квантовыми точками Ge, максимальная величина
внешней квантовой эффективности реализуется в волноводных структурах и достигает
значений 20% и 15% на длинах волн 1.3 и 1.5 мкм, соответственно. Латеральные Ge/Si
фоторезисторы с 30-ю слоями квантовых точек Ge обладают полосой пропускания до 16
ГГц на уровне -3 дБ.
Существует область значений потенциалов полевого электрода, для которых перенос заряда в канале кремниевых полевых транзисторов, содержащих квантовые точки Ge, осуществляется в условиях прыжкового механизма проводимости по ближайшим соседям с участием локализованных состояний, формирующихся в результате размерного квантования энергетического спектра дырок в квантовых точках Ge.
Для квантовых точек Ge с латеральными размерами ~10 нм и высотой ~1 нм энергия кулоновского взаимодействия дырок в основном и первом возбужденном состояниях составляет -40 мэВ и ~25 мэВ, соответственно, энергетический зазор между уровнями размерного квантования -70 мэВ.
Селективное окисление поликристаллического кремния, осажденного поверх плотного массива германиевых нанокластеров на Si02, позволяет формировать слои монокристаллических включений Ge диаметром 6-7 нм в диэлектрике, требуемые для использования в качестве плавающего затвора в макетах элементов памяти.
Гистерезис на вольт-фарадных характеристиках МД11 структур с нанокластерами Ge в подзатворном SiO^ обусловлен эффектами зарядки нанокластеров электронами либо дырками. Энергии основного состояния электрона и дырки в нанокластерах Ge, встроенных в матрицу Si02, составляют 0.97 эВ и 0.67 эВ, соответственно.
Апробация работы.
Результаты диссертационной работы были представлены на Российских и
международных конференциях, в том числе: X и XI Российские конференции по физике полупроводников (Екатеринбург, 2007 г.; Новосибирск - Томск, 2009 г.); VI Международная конференция по актуальным проблемам физики, технологии и диагностики кремния, нанометровых структур и приборов на его основе «Кремний 2009» (Новосибирск, 2009 г.); 10-й и 15-й международный симпозиум «Nanostructures: Physics and Technology» (С.-Петербург, 2002 г.; Новосибирск, 2007 г.); XVIII Международная конференция по фотоэлектронике и приборам ночного видения (Москва, 2004 г.); совещание «Нанофотоника-2004» (Нижний Новгород, 2004 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата, из них 9 статей в центральных российских и международных журналах.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, заключения и списка цитируемой литературы из 151 наименований. Общий объем диссертации 152 страницы, 46 рисунков.
