Введение к работе
Актуальность темы. Квазидвумерные (квази-20) электронные системы на базе структур металл-изолятор-полупроводник, проводимость которых управляется поперечным электрическим полем, по своей природе частично разупорядочены из-за присутствия встроенных зарядов вблизи квази-2Б канала (примесей, ловушек, дефектов и др). Статистические флуктуации локальной плотности этих зарядов индуцируют хаотический потенциальный рельеф поверхности полупроводника - флуктуационный потенциал (ФП), оказывающий существенное влияние на электронные характеристики систем [1]. С другой стороны, полупроводниковая микроэлектроника, развивающаяся по пути уменьшения размеров активных элементов, ориентирована на использование полупроводников с высоким содержанием легирующих примесей. Так, в легированных слоях короткока-нальных транзисторов на основе GaAs и Si она достигает величин 1018-1019 см'3 (GaAs-AIGaAs структуры типа НЕМТ, с дельта-легированием и др.). В объекгах такого рода, являющихся по сути разупорядоченными контролируемо, эффекты ФП оказываются существенными даже при комнатных температурах. В первую очередь, это - локализация KBa3H-2D электронов в минимумах хаотического потенциального рельефа [2]. Кроме того, вследствие экспоненциального разброса локальной концентрации электронов в условиях сильного ФП ожидается, что проводимость таких разу-порядоченных систем может иметь перколяционный характер [3].
Наличие в псрколяционных системах конечного пространственного масштаба самоусреднения сопротивления приводит к мезоскопическим явлениям в образцах с размерами, соизмеримыми с радиусом корреляции перколяционного кластера Le [3, 4]. Эффекты мезоскопики, хорошо изученные на примере прыжковой проводимости [5], практически не рассмат-
-4-ривались в разупорядоченных квази-20 системах с сильным ФП, где, как
представляется, они могут играть определяющую роль.
Специфика рассматриваемых систем заключается в возможности изменения в широких пределах концентрации 2D электронов, осуществляющих экранирование ФП, и, тем самым, изменение его амплитуды. Считается, что в 2D системах переход к сильному ФП (т.е. к перколя-ционному режиму проводимости) под действием эффекта поля не вызывает существенного изменения их электропроводности [6]. Между тем недавно было обнаружено [7] квантование проводимости короткоканальных транзисторов при гелиевых температурах, что свидетельствует о кардинальном изменении характера электронного переноса в условиях сильного ФП, в частности, о переходе к квазиодномерному транспорту электронов.
Таким образом, вопрос о реальном характере поведения кинетических характеристик систем с сильным ФП до сих пор остаётся открытым, особенно в случае структур малых размеров. Этим обусловлен научный интерес к изучению механизмов проявления ФП в объектах пониженной размерности, актуальных для практического использования.
Целью настоящей работы является изучение особенностей электронных свойств квазидвумерных систем, обусловленных их конечными размерами и сильным флуктуационньш потенциалом.
В этой связи поставлены и решены следующие задачи: - создана компьютеризованная установка для исследования электронных характеристик проводящих каналов на поверхности полупроводников с использованием комбинации методов эффекта поля, эффекта Холла и магнетосопротивления;
- в Si-МНОП структурах с большими размерами полевого электрода
юследовано поведение электропроводности, холловскои подвижности и іффективной плотности пограничных состояний в условиях перехода к іерколяционному режиму проводимости по мере усиления ФП;
изучены мезоскопические явления в проводимости и спектре эффективной плотности пограничных состояний короткоканальных полевых ранзисторов (Si-МНОП, GaAs-AlGaAs НЕМТ и GaAs-ПТШ) с высокой :онцентрацией встроенных зарядов в подзатворном диэлектрике;
проведены численные эксперименты по моделированию двумер-[ых перколяционных систем конечных размеров, в результате которых:
- выявлены факторы, контролирующие положение уровня протекания в
короткоканальных объектах;
- определены функция распределения и характерные пространствен
ные масштабы седловых областей хаотического потенциального ре
льефа, что позволило обосновать возможность квантования проводи
мости короткоканальных структур с сильным ФП при относительно
высоких температурах.
Научная новизна. Показано, что при переходе под действием эф-іекта поля от слабо разупорядоченной KBa3H-2D системы к сильно разупо-ядоченной, её проводимость приобретает перколяционный квантовый вазиодномерный характер. Это приводит к исчезновению эффекта Холла ри значениях электропроводности канала о < e2jh и появлению харак-грных особенностей зависимостей проводимости G короткоканальных груктур от потенциала затвора и эффективной плотности мелких локали->ванных состояний при значениях G » e2/h.
Получены оценки радиуса корреляции перколяционного кластера,
определяющего пространственный масштаб самоусреднения сопротивления объектов. Показано, что реальные полевые транзисторы с длиной затвора : 5 мкм являются мезоскопическими объектами в широкой (несколько вольт) области изменения потенциала полевого электрода вблизи порога проводимости.
В короткоканальных транзисторах с сильным ФП обнаружен дополнительный порог проводимости, обусловленный переносом носителей заряда по одиночным перколяционным путям, имеющим пониженный уровень протекания. В этой ситуации проводимость образца в целом определяется одиночной (наиболее высокоомной) перевальной областью наиболее низкоомного пути протекания и составляет » e2/h на един электрон.
Практическая ценность. Полученные сведения о механизмах формирования проводящих каналов полевых транзисторов с высокой концентрацией встроенных зарядов в подзатворном диэлектрике, а также о характерных масштабах электрической неоднородности объектов важны при решении задач надёжности, моделирования и повышения процента выхода годных СБИС и СВЧ транзисторов.
Обнаруженные особенности кривых эффекта поля при значениях проводимости канала G * e2jh свидетельствуют о принципиальной возможности создания нового класса короткоканальных транзисторов на основе электронных систем пониженной размерности с сильным ФП, обладающих квантовой проводимостью при относительно высоких температурах.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. В транзисторных системах типа металл-диэлектрик-
юлупроводних с высокой концентрацией встроенных зарядов в подза-
ворном диэлектрике («t >1012 см*2) зависимость э.д.с. Холла от потен-
іиала полевого электрода при относительно высоких температурах
Т = 77-300 К) имеет пороговый характер. Порог исчезновения эффекта
Солла соответствует конечной величине электропрозодности квази-20
:анала (ст~ e2/h).
-
Структуры длиной (L ~ 1 мкм) порядка радиуса корреляции пер-:оляционного кластера и шириной (W~ 100 мкм), существенно его пре-;ышающей, имеют по сравнению с аналогичными структурами больших іазмеров пониженный уровень протекания и более низкую концентрацию [окализованных флуктуационных состояний на границе раздела полупро-юдник-диэлектрик.
-
Проводимость разупорядоченных систем контролируется седло-ыми областями хаотического потенциального рельефа; при определён-[ых значениях концентрации встроенных зарядов и расстояния между их шоскостью и квази-2В каналом она приобретает квантовый квазиодно-іерньїй характер.
-
Увеличение в режиме эффекта поля концентрации электронов в :анале структур с малой длиной затвора, сопровождающееся ослаблением Е>П, трансформирует перколяционную систему из квази-ГО в слабо разу-юрядоченную 2D среду. Это приводит к возникновению в области пере-:ода характерной особенности на зависимостях проводимости канала G it потенциала затвора - квази-плато при значениях G~ e2/h в интервалах
-8-изменения температуры 77-300 К, концентрации встроенного заряд
1012-1013 см"2 и отношения ширины канала к его длине W /L = 10-100.
Апробация работы. Основные результаты диссертации доклады вались на Международных конференциях NANOSTRUCTURES: Physic and Technology (St. Petersburg, 1996, 1997), 7-th International Conference oi Hopping Phenomena (Rackeve, Hungary, 1997), III Российской конференциі no физике полупроводников (Москва, 1997), Всероссийском совещаниі "Наноструктуры на основе кремния и германия" (Н.Новгород, 1998) и се минарах ИРЭ РАН, МГУ им. Ломоносова, ФТИ им. Иоффе РАІ (г.С-Петербург), ИТГТМ РАН (г.Черноголовка) и ИМФ PHL "Курчатовский Институт".
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 9 печат ных работ. Список трудов приведён в конце автореферата.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введе ния, пяти глав и заключения. Её объём составляют 76 страниц текста, 32 рисунка и список литературы из 83 наименований. Полный объём диссертации 120 страниц.
