Введение к работе
-3-
Актуальность темы. В настоящее время проводится большое число исследований, сказанных с созданием полупроводниковых приборов, в конструкции которых используются элементы пониженной размерности. К ним в первую очередь относятся низкопороговые лазеры, полевые и биполярные транзисторы на основе гетеропереходов, одиночных квантовых ям и-сверхрешеток, внутри которых реализуется двумерный газ носителе!"! тока, обладающих высокой подвижностью.
Баллистические свойства электронов и дырок еще более усиливаются при дополнительном ограничении их движения в двумерном слое, что в предельном случае приводит к реализации одномерных и нуль-мерных структур, получивших, сэответстаенно,название квантовая проволока и квантовая і очка. Впервые квантовые проволоки и точки были индуцированы внешним электрическим полем, ответственным за эффекты каналирования электронов и дырок, что стало возможным благодаря использованию субмнкронной литографии, с помощью которой формируется соответствующая топология контактов к двумерному слою. Применение наноструктур, представляющих собой различные конфигурация квантовых проволок с изолированными квантовыми точками, позволило существенно снизить значение порогового тока п лазерах на гетеропереходах, а также - значительно расширить частотный диапазон СВЧ-транзисторов.
Развитие методов молекулярно-лучевой эпитаксии сделало возможным получение квантовых проволок и кристаллографически ориентированных систем квантовых точек, самоупорядочивающихся непосредственно в процессе эпитаксиального роста двумерных слоев полупроводников A"'BV и A"BN1. Причем, в основе формирования всех известных до настоящего времени наноструктур в полупроводниках лежат процессы локального самоупорядочения атомов матрицы.
Между тем, самоупорядоченные наноструктуры могут также возник».» вследствие анизотропии диффузии примесных атомойи ионов при их внедрении в полупроводниковую решетку методами ионной имплантации и диффузии. Подобная самоорганизация примесных центров резко усиливается при использовании метода неравновесной примесной диффузии в условиях контролируемо!! инжекцин вакансій или собственных межузель.;ых атомов. В этом случае преимущество имеет применение планарной іехполої пи, в рамках которой можно реачіпоппп. режим ускоренной диффуищ легирующей
примеси, стимулируя обменное взаимодействие примесного атома с собственным межузельным атомом (kick-out механизм диффузии) или вакансией (диссоциативный пакансионный механизм), а также - осуществить резкое торможение примесной диффузии в режиме полной аннигиляции собственных дефектов.
Таким образом, ускоренную примесную диффузию целесообразно использовать для получения перпендикулярных поверхности двумерных сдоев, содержащих самоугюрядочеиные примесные центры, тогда как формирование аналогичных слоев, параллельных поверхности, наиболее вероятно в условиях сильного торможения диффузии легирующей примеси. Применяя Планерную технологию, можно достигнуть высокой плотности двумерных легированных слоев » приповерхностной области полупроводникового монокристалла. Вследствие этого следует ожидать, что диффузионные профили, полученные в процессе неравновесной диффузии, <їуггут состоять из поперечных или продольных квантовых ям, сформированных меисду двумерными легированными слоями, которые ориентированы,соответственно,перпендикулярно или параллельно плоскости профиля.
Определенное преимущество диффузионных квантовых ям состоит в том, что оич могут быть реализованы даже в элементарных полупроводниках, например, непосредственно в процессе получения кремниевых р-п-переходов и транзисторных структур. В этом случае самоупорядоченные примесные ионы в дпумерных слоях, разделяющих поперечные и продольные квантовые ямы, представляют интерес в качестве основы для образования динамических наноструктур в кристалле рафически ориентированном внешнем электрическом поле. Прямое и обратное напряжение, приложенное к р-п-переходу, полученному в условиях неравновесной диффузии, индуцирует элекгростатическое упорядочение примесных ионов, в результата чего продольные п поперечные квантовые ямы могут трансформироваться в систему параллельных квантовых проволок с изолированными квантовыми точками. Подобные диффузионные наноструктуры представляют значительный интерес для изучения одномерною транспорта носителей тока в условиях кулоновской блокады и создания высокотемпературных кремниевых транзисторов на одиночных электронах и дырках.
Следует отметить, что в рамках піанарпоії технологии неравновесная примесная диффузия может быть совмещена с режимами внутреннего гетте-[Ч1|ын.'ш1!я остаточных примесей и дефектов, что делает возможным получе-
-5-ние совершенных квантоворазмерных кремниевых р п-переходов, представляющих собой различные комбинации диффузионных квантовых ям. Пространственное разделение носителей тока встроенным полем по р- и п- поперечным квантовым ямам, образованным вследствие самоупорядочения примесных центров, может стимулировать резкое увеличение подвижности носителей и подавить процессы рекомбинации, что открывает широкие возможности использования квантоворазмерных р-п-переходов для создания прецизионных детекторов а-частиц и фотоприемников коротковолнового диапазона длин волн.
На основании вышеизложенного может быть сформулирована цель настоящей работы, которая состойла в получении и исследовании квантоворазмерных кремниевых р-п-переходов, содержащих самоупорядоченные наноструктуры, а также — в создании на их основе прецизионных детекторов ко-роткопробежных частиц, фотоприемников коротковолнового спектрального диапазона длчн волн и транзисторных структур, демонстрирующих эффекты транспорта одиночных электронов и дырок.
В задачи настоящей работы входило изучение следующих вопросов:
получение сверхмелких кремниевых р-п-переходов с помощью неравновесной диффузии бора и фосфора в условиях инжекции собственных межузель-ных атомов и вакансий;
изучение процессов самоупорядочения лрігмгсньїх центров в квантоворазмерных диффузионных профилях с помощью методик оптически индуцированного циклотронного резонанса, квантованной проводимости, а также -температурных зависимостей проводимости и термоэде;
исследование квантованной проводимости в электрическом поле, приложенном вдоль и поперек плоскости р-п-перехода;
идентификация моделей самоупорядочивающихся примесных центров внутри квантоворазмерных диффузионных профилей;
получение кремниевых транзисторных структур на основе квантоворазмерных диффузионных р-п-переходов с целью изучсниЛ процессов транспорта одиночных дырок и электронов при высоких температурах;
формирование квантоворазмерных кремниевых р-п-переходов, состоящих m контролируемых последовательностей продольных и поперечных квантовых ям, с целью улучшения характеристик детекторов короткопробежиых частиц и кремниевых фотодетекторов.
Научная новизна работы состоит в следующем:
неравновесная диффузия бора и фосфора в условиях приповерхностной ин-жекции собственных межузельных атомов и вакансий позволила получить сверхмелкие кремниевые р-n-переходы с глубиной диффузионного профиля 5 -30 им;
угловые зависимости оптически индуцированного циклотронного резонанса и квантованной проводимости показали, что полученные сверхмелкие кремниевые р-n- переходы состоят из поперечных и продольных квантовых ям, сформированных между двумерными слоями, которые содержат самоупоря-дочениые примесные центры и ориентированы, соответственно, перпендикулярно или параллельно плоскости р-п-перехода;
- исследования температурных зависимостей проводимости и термоэде, а
также - ВАХ ступенчатой формы г.оказали, что самоупоредоченные примес-
нье центры на границах кремниевых квантовых ям представляют собой дипо
ли C3V- симметрии (Б*-В~; Р+-Р~);
-. зарегистрирована квантованная проводимость в электрическом поле, приложенном вдоль полупроводниковой квантовой ямы, что сделало возможным идентификацию образования динамических квантовых проволок вследствие электростатического упорядочения примесных диполей;
- предложенная нанотехнология позволила получить кремниевые транзи
сторные структуры, демонстрирующие эффекты транспорта одиночных дырок
. к электронов при температуре >77К;
- использование хвантоворазмерных кремниевых р-n переходов, состоящих
из контролируемых последовательностей продольных и поперечных диффузионных
квантовых ям, позволило управлять пространственным разделением неравновесных
дырок и электронов, благодаря чему улучшается энергетическое разрешение
детекторов короткопробежных частиц.
Положения, выносимые на защиту:
1. Неравновесная диффузия бора и фосфора в условиях приповерхност
ной икжекции собственных межузельных атомов и вакансий позволила полу
чить сверхмелкие кремниевые р-n- переходы с глубиной диффузионного про
филя 5 - 30 нм. '.
Обнаружено, чю ускоренная диффузия бора и фосфора в кремнии возникает при доминировании kick - out или диссоциативного вакансионного механизмов диффузии, которые стимулсруются^оответственно^ри высоких (>1100С) и низких (<800С) температурах диффузии за счет увлечения примесных атомов собственными межузельными атомами или вакансиями. Рез-
-7-кое торможение примесной диффузии было достигнуто при средних (~900С) температурах диффузии и полной аннигиляции собственных межузельных атомов и вакансий, что соответетвоэало условиям паритета kick - out и диссоциативного вакансионного механизмов диффузии.
2. Угловые зависимости оптически индуцированного циклотронного ре
зонанса и квантованной проводимости показали, что сверхмелкие кремние
вые р-n-переходы, полученные с помощью неравновесной диффузии, состо
ят из поперечных и продольных квантовых ям, сформированных между дву
мерными слоями, которые содержат самоупорядоченные примесные центры и
ориентированы,соответственно,перпендикулярно или параллельно плоскости
р-л-перехода. Обнаружено, что поперечные и продольные квантовые ямы об-
рязук>тся,соответственно,при ускорении и торможении примесной диффузии.
3. Исследования температурных зависимостей и термоэдс, а также -
ВАХ ступенчатой формы позволили обнаружить энергетическую щель в
плотности состояний вырожденного газа дырок и электронов в кремниевых
диффузионных квантовых ямах. Показано, что величина обнаруженной
энергетической щели определяется зарядовыми корреляциями, локализован
ными на реконструированных примесных диполях Csv симметрии ( В* - В' ;
Р+ - F ) в двумерных слоях, между которыми формируется диффузионная
квантовая яма.
-
Зарегистрирована квантованная проводимость, обусловленная упругим обратным рассеянием дырок и электронов в электрическом поле, приложенном вдоль полупроводниковой квантовой ямы. Обчаружено, что ВАХ квантованной проводимости идентифицирует образование динамических квантовых проволок вследствие электростатического упорядочения примесных диполей на границах диффузионных квантовых ям. Предложенная нано-технология сделала возможным создание кремниевых полевых и биполярных транзисторных структур, которые основаны на динамических квантовых проволоках с изолированными квантовыми точками, формирующимися в условиях дополнительно приложенного поперечного электрического поля. ВАХ полученных транзисторных структур демонстрируют эффекты транспорта одиночных дырок и электронов при высоких температурах благодаря рекордно малой емкости квантовых точек v'O"19 Ф)-
-
Использование кван' оворазмерных кремниевых р-г переходов, состоящих из контролируемых последовательностей продольных и поперечных диффузионных квантовых ям, позволяет управлять пространственным разделе-
»
ниєм неравновесных дырок и электронов, что способствует улучшению энергетического разрешения детекторов короткопробежных частиц и увеличению внешней квантовой эффективности фотодиодов, предназначенных для регистрации коротковолнового оптического излучения..
Достоверность полученных результатов подтверждается их воспроизводимостью при исследовании большого количества образцов, а также хорошим соответствием между данными, полученными с помощью различных современных экспериментальных методик.
Научная и практическая значимость работы определяется применением неравновесной примесной диффузии для получения самоупорядоченных наноструктур и сверхмелких кремниевых p-n-переходах и заключается в создании па их основе транзисторных структур, демонстрирующих эффекты транспорта одиночных дырок и электронов при температуре > 77К.
Апробация результатов работа. Результаты проведенных работ докладывались на VII Всесоюзной конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение", Москва, 1988г., Всесоюзной конференции "Фотоэлектрические яш ения з полупроводниках", Ташкент, 1989г., I Всесоюзной конференции "Физические основы твердотельной электроники", Ленинград, 1989г., Всероссийской конференции по физике полупроводников, С.-Петербург, 1996г., а также на VII Международной конференции "Микроэлектроника-90", Минск, '990г., Международной конференции "Твердотельные приборы и материалы" (SSDM-94), Иокогама, 1994г., иа 22-й и 23-й Международных конференциях по физике полупроводников, проходивших ^соогветственно, в Ванкувере, 1994 . и Берлине, 19Иг., иа IV Международной конференции "Применение полупроводниковых детекторов в ядерной физике", Юрмала, 1995г., Международных симпозиумах "Наноструктуры-95", С.-Петербург, 1995г. и "Наноструктуры-96", С.-Петербург, 1996г., IX Международной конференции "Сверхрешетки, микроструктуры и микроприборы", (ICSMM-9), Льеж, 1996г., VII Международной конференции по мелким центрам в полупроводниках (ІС-SLCS-?) Амстердам, Нидерланды, 1996г., Международной конференции по диффузии в твердых телах, (DIMAT'96), Нордкирхен, ФРГ, 1996г. и на Международном симпозиуме "Кремний высокой чистоты-4," Сан-Антонио, США, 1996г.
По материалам диссертации опубликовано 16 научных работ, перечень которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и списка цитируемой литературы из 120 наименований..Общий объем диссертации 170 страниц, в том числе 110 страниц рукописного текста, 58 рисунков, 2 таблицы.
