Кремний германиевые наноструктуры с квантовыми точками: механизмы образования и электрические свойства Обзо р
Скачать 432.7 Kb.
|
3.5. Факторы, влияющие на процесс упорядочения. Ранее отмечалось, что морфология поверхности, на которой формируются 3D островки, играет существенную роль и может использоваться как управляющий фактор, способствующий упорядочению островков как по размерам, так и по их пространственному распределению. Управление параметрами поверхности может быть осуществлено следующими путями: - использование подложек, отклоненных от поверхности (001) и связанные с этим различные способы упорядочения ступеней, являющихся в дальнейшем шаблонами для зарождения островков [Error: Reference source not found, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85]. - использование сурфактантов, модифицирующих поверхностные характеристики (поверхностная энергия, длина диффузии адатомов) как подложки, так и эпитаксиального слоя [Error: Reference source not found, 86, 87, 88, 89]. - создание на поверхности подложки микрострессоров, инициирующих зарождение островков в определенных местах [90, 91, 92]. - литография: создание окон на подложке, ограничивающих область сбора адатомов в островок и отделяющих островки друг от друга [93, 94]. Формирование с помощью фотолитографии фасеточных граней, локализующих места зарождения Ge островков [95, 96]. Каждое из этих направлений получило свое развитие в литературе, но исследования находятся в стадии активного поиска. Поэтому мы только обращаем внимание читателя на эти направления, не анализируя их подробно. 3.6. Контроль in situ Сильная зависимость параметров островков от условий проведения технологического процесса делает необходимым непрерывный мониторинг ситуации на ростовой поверхности подложки. Традиционным методом, пригодным для этого, является дифракция быстрых электронов (ДБЭ). Типичным примером всестороннего изучения поверхности во время гетероэпитаксии является работа [97], в которой методом дифракции электронов на отражение были построены фазовые диаграммы структур, существующих на поверхности во время эпитаксии Ge на подложках Si(111) и Si(001). На рис. 11 представлен пример такой диаграммы для поверхности (111). Две структуры с периодом, кратным 7, наблюдались в процессе эпитаксии Ge на Si(111). Это Si(111)-(7x7)Ge и Ge(111)-(7x7)Si. Здесь первый химический символ указывает на материал, на поверхности которого наблюдалась данная сверхструктура; второй символ - на материал, который стабилизирует данную сверхструктуру. Сверхструктура Si(111)-(7x7)Ge формируется при высокой температуре и малом количестве Ge на поверхности Si. Максимальная температура, при которой эта сверхструктура была стабильна в процессе роста пленки, составляла 950 С. По оценке, данной в работе [Error: Reference source not found], при этой температуре потоки адсорбирующихся и десорбирующихся атомов Ge равны. При дальнейшем увеличении температуры концентрация атомов Ge на поверхности быстро уменьшается. После достижения пленкой критической толщины введения ДН на поверхности Ge островков формируется сверхструктура Ge(111)-(7x7)Si, стабилизируемая атомами Si, диффундирующими из подложки. Тот факт, что поверхность пленки Ge, выращенной при температуре меньше 350 С, имеет сверхструктуру Ge(111)-(2x8), тогда как последующий отжиг пленки при 600 - 700 С дает Ge(111)-(7x7), подтверждает этот вывод. В дополнение к структурам, описанным ранее, наблюдалась сверхструктура Ge(111)-(5x5), обнаруженная нами ранее [98, 99]. Ее присутствие связывается с псевдоморфным состоянием Ge пленки. После того, как псевдоморфизм срывается, эта сверхструктура превращается либо в Ge(111)-(7x7)Si, либо в Ge(111)-(2x8). Последняя характеризует атомарно-чистую поверхность (111) объемного Ge. Следовательно, структура 5х5 является признаком существования в пленке механических напряжений, релаксация которых может стимулировать формирование островков. В процессе роста пленки GexSi1-x на подложках Si(001) на поверхности обычно присутствуют сверхструктуры (2x1) и (2x8). На основе анализа изменения дифракционных картин в процессе роста Ge на Si нами [Error: Reference source not found] была построена фазовая диаграмма, представленная на рис.12. После формирования островков обнаруживаются фасетки (рис.12) с гранями {105}, {811} и {311} [Error: Reference source not found, 100, 101, 102]. Соответственно, в этом случае признаком формирования островков является появление на картине ДБЭ тяжей от соответствующих кристаллических граней. Форма осцилляций зеркального рефлекса картины дифракции электронов в процессе роста является еще более чувствительной к морфологическим перестройкам на поверхности растущей пленки. Сама по себе высокая чувствительность зеркального рефлекса к морфологии обостряется, когда дифракция осуществляется в условиях поверхностного резонанса [103]. В этих случаях появление островков сопровождается резким уменьшением интенсивности зеркального рефлекса, что дает возможность точно определять этот момент. 4. Электронные свойства систем «искусственных атомов». Исследования электронных свойств структур Ge-Si проводились с помощью электронной туннельной спектроскопии, емкостной спектроскопии, спектроскопии проводимости, изучения прыжковой проводимости и эффекта поля. Гетеропара Ge/Si относится к гетероструктурам второго типа, в которой островки Ge являются потенциальными ямами для дырок. Этим обстоятельством обусловлен выбор типа проводимости исследуемых систем. 4.1. Электрические свойства. 4.1.1. Электронная туннельная спектроскопия. При совпадении уровня Ферми в эмиттере с разрешенным уровнем носителя в квантовой яме (КТ) должно наблюдаться резонансное увеличение туннельного тока. Меняя энергию инжектированного носителя путем изменения напряжения можно получить информацию об энергетическом спектре КТ. Впервые этот метод спектроскопии по отношению к массивам самоорганизующихся КТ был применен в работе [Error: Reference source not found]. Исследуемая структура представляла собой два параллельных электрода (сильно легированные бором слои Ge0.3Si0.7), между которыми через туннельные барьеры (прослойки Si) был заключен слой нанокристаллов Ge [104]. Зависимость дифференциальной проводимости от напряжения показана на рис. 13. Верхняя часть рисунка соответствует симметричным кремниевым барьерам (оба толщиной 9 нм). В нижней части приведен спектр проводимости для случая, когда один из барьеров тоньше другого (в данном конкретном случае толщины 9 нм и 6 нм), причем отрицательная полярность соответствует ситуации, когда носитель (дырка) вначале проходит через тонкий барьер, а затем через толстый. В обоих случаях наблюдаются отчетливые осцилляции туннельной проводимости структур, свидетельствующие о существовании хорошо разрешенного дискретного спектра в островках Ge. Причем осцилляции вблизи нулевого смещения сопровождаются появлением области с отрицательной дифференциальной проводимостью, являющейся характерной чертой резонансного туннелирования. В случае симметричной конфигурации барьеров (верхняя часть рис. 13) осцилляции проводимости почти симметричны относительно нуля и имеют характерный период 150 мВ, что позволяет оценить расстояние между уровнями размерного квантования в островках как 150/2=75 мВ. В асимметричной структуре в области отрицательного смещения происходит расщепление пиков проводимости на серию осцилляций с меньшим периодом. При такой полярности напряжения ввиду сильной разницы коэффициентов прохождения левого и правого барьеров происходит накопление дырок в островках, и существенными становятся процессы кулоновских корреляций носителей, обусловленные их взаимодействием. Кулоновское взаимодействие «снимает» вырождение одночастичных уровней размерного квантования, поскольку дырке требуется преодолевать энергию электростатического отталкивания носителей, уже находящихся в КТ. Подобный эффект, наблюдавшийся ранее в туннельных переходах через металлические гранулы в виде ступенчатых вольтамперных характеристик, получил название «кулоновской лестницы» [105]. Из расстояния между пиками проводимости можно оценить корреляционную энергию дырок в островках:  мэВ в основном состоянии и  18 мэВ в первом возбужденном состоянии.4.1.2. Емкостная туннельная спектроскопия. В основе емкостной спектроскопии КТ лежит тот факт, что заряд в нульмерных системах может меняться только дискретным образом на величину  , где  - заряд электрона,  - число точек в образце [106]. Внешнее напряжение  на управляющем электроде, смещая потенциал в островках по отношению к уровню Ферми в контакте, отделенном от островкового слоя туннельно прозрачным барьером, стимулирует либо захват носителей из контакта на уровни КТ, либо опустошение этих уровней в зависимости от полярности . При совпадении уровня Ферми в контакте с энергией связанного состояния в КТ дифференциальная емкость  должна иметь пик, свидетельствующий о наличии дискретного уровня энергии. полная емкость структуры представляет собой сумму двух вкладов: первый обусловлен наличием области пространственного заряда в окружающем островки материале ( в данном случае это кремний), второй вклад ( ) связан с зарядкой квантовых точек. В исследованных структурах с барьером Шоттки менялась эффективная толщина слоя  [107]. Структуры представляли следующую последовательность слоев, начиная от подложки: 1) р+-подложка кремния с ориентацией (100), служащая нижним электрическим контактом; 2) слой Si0.8Ge0.2 толщиной L=10 нм, обеспечивающий резкую гетерограницу последующего туннельного барьера Si; 3) туннельно прозрачный барьер Si,  см-3, L=7 нм; 4) слой нанокристаллов Ge; 5) блокирующий слой Si,  см-3, L=50 нм; 6) управляющий заполнением островков электрод Al, формирующий на границе с кремнием барьер Шоттки; площадь алюминиевой площадки составляла  см2, по размеру которой вытравливалась цилиндрическая мезоструктура на глубину порядка 5 мкм.Вольт-фарадные характеристики структур без слоя Ge имели обычный вид для обедненного слоя Si р-типа (рис. 14). в случае  ML на характеристиках появляется плато, характерное для двумерного (2D) газа носителей. В области эффективных толщин Ge  ML на C-V кривых появляются пики, расстояние между которыми, их ширина и положение на шкале напряжения (энергетической шкале) зависит от  : с ростом пики становятся уже и уменьшается энергетический зазор между ними. Энергетическое расстояние между уровнями, соответствующими двум пикам емкости, находится из соотношения  [108], где  - расстояние между пиками на С-V характеристике,  - расстояние между КТ и нижним электродом,  - расстояние между верхним и нижним электродами. Расчеты дают  мэВ (для 8 ML), 36 мэВ (10 ML) и 32 мэВ (13 ML) [Error: Reference source not found]. Величина  мэВ для образца с количеством Ge 10 ML согласуется с энергией зарядки КТ ( ) в основном состоянии, найденной в экспериментах по резонансному туннелированию. Поэтому природа расщепления пиков была объяснена электростатическим кулоновским взаимодействием.Появление осцилляций емкости связывается с формированием достаточно однородного по размерам массива нанокристаллов Ge, в котором плотность дырочных состояний является  -образной функцией энергии. При большом количестве осажденного Ge (20 ML) происходит пластическая релаксация упругих деформаций, и формируются крупные ( 0 Å) островки с дислокациями. Это проявляется в исчезновении пиков емкости на вольтфарадных характеристиках. С появлением дислокаций и пробоем области пространственного заряда, по-видимому, связано и сильное возрастание емкости, сопровождаемое резким увеличением активной части проводимости при толщинах более 20 ML.Площадь под каждым пиком на C-V характеристике, деленная на заряд электрона, оказалась равной с хорошей точностью поверхностной концентрации островков Ge (  см-2). Это означает, во-первых, что все островки Ge вовлечены в процесс перезарядки системы, во-вторых, что вырождение по энергии снимается за счет кулоновского взаимодействия.Экспериментальное подтверждение кулоновской природы расщепления было найдено в измерениях вольтфарадных характеристик с двумя слоями островков Ge одинакового размера [109]. В этом случае расщепление между пиками, обусловленное кулоновским взаимодействием, увеличивается. 4.1.3. Эффект поля. Изменение проводимости МДП-транзисторов, в которых проводящий канал включает слой нанокристаллов Ge, оказалось достаточно информативным для изучения эффектов электронных корреляций и размерного квантования [110]. Последовательное заполнение островков носителями осуществлялось приложением потенциала к затвору транзистора. При используемых плотностях островков Ge (~31011 см-2) существенными становятся туннельные переходы между состояниями, локализованными в различных островках. Вероятность «перескоков» дырки между квантовыми точками определяется а) перекрытием волновых функций заполненного и незанятого состояния и б) степенью заполнения данной дырочной оболочки. Если соответствующий уровень заполнен точно наполовину, то проводимость должна быть максимальна, а энергия активации переходов должна определяться электростатической энергией взаимодействия данной дырки со всеми зарядами в нанокристаллах. При полном заполнении уровня носитель в процессе туннелирования вынужден переходить на возбужденные состояния следующей оболочки. При этом энергия активации возрастает на величину, равную энергии размерного квантования, а проводимость уменьшается. При дальнейшем заполнении возбужденного состояния энергия активации, требуемая для помещения носителя на данный уровень в других точках, уменьшается и снова начинает определяться электрон-электронным взаимодействием, что приводит к росту величины прыжковой проводимости и так далее. Таким образом, величина прыжковой проводимости при фиксированной температуре, а также энергия активации проводимости должны осциллировать при изменении затворного напряжения, отражая тем самым структуру спектра состояний. Такие осцилляции присущи лишь нульмерным системам, в которых электронный спектр носит дискретный (атомоподобный) характер. Осцилляции прыжковой проводимости в условиях эффекта поля были обнаружены в МДП-транзисторах с эффективной толщиной Ge более 6 ML и содержащих до 109 островков Ge [ Error: Reference source not found]. Подложкой служила высокоомная пластина Si n-типа. В области низких температур (  К) на зависимостях проводимости канала от затворного напряжения были обнаружены осцилляции, соответствующие заполнению основного и возбужденного состояний в КТ (рис.15). В МДП-транзисторе со слоем КТ, сформированном на структуре кремний-на-изоляторе (SIMOX) [111], удалось минимизировать токи утечки через нижележащие слои Si, в результате осцилляции проводимости наблюдались вплоть до температур 150 К. Температурная зависимость проводимости оказалась активационной, что отличает происходящие процессы от резонансного туннелирования и свидетельствует в пользу прыжкового механизма переноса заряда по КТ. |
Похожие:
 | Оао «Янтарьэнерго» «Западные электрические сети» и «Городские электрические сети» на 2013 год | | Закировым Рафаилем Фатыховичем (именуемым далее «Работодатель») и коллективом филиала ОАО «Сетевая компания» Казанские электрические... |
| ... | | Карта Европы висит в моей комнате (чёрными точками отмечены города, в которых побывал) |
| Ii социально-экономические механизмы функционирования ресторанов премиум класса |  | По рассмотрению гражданских дел в апелляционном (кассационном) порядке за 1 полугодие 2012 года |
| Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тюменский... | | Формы и механизмы французской внешней культурно-лингвистической политики в их взаимосвязи. 27 |
| Охрана труда разработана в соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом среднего профессионального образования... | | Механизмы формирования ууд у обучающихся на ступени начального общего образования |