Исследование гетероструктур на основе слоев с широкой запрещенной зоной

УДК 621.382.032.21

А.И. Казимиров, Ю.В. Сахаров, П.Е. Троян

Исследование гетероструктур на основе слоев с широкой запрещенной зоной

Исследованы гетероструктуры на основе широкозонных материалов. Обнаружены необычные вольт-амперные характеристики для одиночных и двойных наногетероструктур. Ключевые слова: диоксид кремния, модифицированный углеродом диоксид кремния; гетероструктуры, ВАХ, кулоновская лестница.

Одними из основных вопросов нанотехнологии являются изучение и разработка способов получения наноструктур, исследование их свойств и возможностей применения в условиях современного мира. Особое внимание уделяется развитию наноэлектроники, как основе научно-технического прогресса. Исследование электрических и оптических свойств наноразмерных слоев различных материалов и структур на их основе для создания приборов нового поколения является не только актуальной научной проблемой, но и важной практической задачей.

По мнению нобелевского лауреата Ж.И. Алферова, современную физику твердого тела трудно представить без гетероструктур [1]. Особое внимание в обзоре уделено проблеме поиска новых широкозонных материалов для создания приборных гетероструктур.

Целью настоящей работы является сообщение о полученных результатах по созданию и исследованию гетероструктур на основе нанослоев SiO2-SiO2M, где SiO2M - это модифицированный слой диоксида кремния.

Исследованию подвергались пленки диоксида кремния, полученные методом магне-тронного распыления кремниевой мишени в атмосфере кислорода при давлении (4х6)-10-3 мм рт. ст. при разрядном токе 200 мА и напряжении разряда 300 В. Расстояние мишень-подложка 50 мм. Пленки модифицированного диоксида кремния получались путем распыления комбинированной мишени, состоящей из кремния и графита в атмосфере кислорода с добавлением аргона. Подробно техника нанесения слоев SiO2 и SiO2M описана в [2].

Ширину оптической щели для исследуемых пленок определяли оптическим методом с помощью спектрометра USB2000 путем экстраполяции к нулю зависимости квадрата коэффициента поглощения от энергии фотонов. Толщину пленок измеряли с помощью интерферометра МИИ-4М и метода, включающего совместное применение ИК-спектро-метра 1п£га1ит FT-801 и спектрометра USB2000.

В рассматриваемой работе представлены следующие проведенные нами исследования и полученные результаты:

- определение ширины оптической щели ДЕ для пленок диоксида кремния и ее зависимости от толщины пленок SiO2 ^ЗЮ2;

- исследование влияния количества углеродных включений в составе комбинированной мишени на величину ДЕ пленок SiO2M;

- измерение вольт-амперных характеристик (ВАХ) пленок SiO2 в структуре Л1^Ю2-Л1, а также ВАХ структур А^Ю^Ю^-А! и А^Ю^Ю^^Ю^АЬ

Зависимость ширины оптической щели пленки ЯЮ2 от ее толщины

При исследовании пленок вЮ2, полученных магнетронным распылением кремниевой мишени в вакуумной системе с паро-масляными наносами, установлено, что для пленок толщиной от 20 до 100 нм ДЕ практически постоянна и составляет 5,6±0,1 эВ (рис. 1).

В то же время достоверно установлено, что в области толщин менее 20 нм ДЕ уменьшается, достигая при ^Ю2 = 10 нм значения 4,6 эВ, а при толщине ~5 нм резко возрастает, достигая значения 6,0 эВ.

ДЕ, эВ

5.4 5Д 4,8

4.5

0 10 20 30 40 50 60 70 d, нм Рис. 1. Зависимость ДЕ пленок SiO2 от dgiO2

202

ТЕХНОЛОГИЯ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ СВЧ

Зависимость ширины оптической щели пленок SiO2M от количества углеродных включений в распыляемую мишень

В работе [2] было показано, что при распылении составной мишени Si-C формируются пленки, свойства которых существенно отличаются от пленок чистого SiO2. Такие пленки мы назвали модифицированными и обозначим SiO2M. Для количественной характеристики степени модификации вводится параметр Sc, означающий процент площади, занимаемой графитом в составной мишени. Методика оценки ДЕ пленок с помощью спектрометра USB2000 описана в [3] и пример ее реализации представлен на рис. 2.

На рис. 3 представлена зависимость ДЕ от значения Sc.

1 ?

1-

0 - Н-

—рт^ рщйайа »>»-.„ -и Я1-

6х109 5х109 4х109 ЗхЮ9 2х109 1х109 О

2 3 4 5 Е, эВ

Рис. 2. Графики зависимостей квадрата коэффициента поглощения от энергии падающего света для пленок SiO2 при: 1 - 5С=80%; 2 - 5С=30%;

3 - Бс=0%

ДЕ, эВ

5.4

5.1 4,8

4.5

4.2

— /?2—П — ,9912

I I

О 20 40 60 80 Sc, % Рис. 3. Зависимость ДЕ пленок SiO2М от параметра Бс

Вольт-амперные характеристики пленок SiO2

ВАХ снимались на постоянном напряжении в структурах с алюминиевыми электродами при положительной полярности на верхнем электроде. Толщина исследуемых слоев при измерении ВАХ составляла 80 нм.

На рис. 4 представлена ВАХ для структуры А1^Ю2-А1. Видно, что характеристика имеет типичный для подобных структур вид и связана с процессами на контакте (эффект Шотки) и в объеме (эффект Пула-Френкеля).

ВАХ структур А1^Ю2^Ю2М-А1 представлена на рис. 5, а и существенно отличается от ВАХ структур А1^Ю2-А1. Отличие заключается в том, что ВАХ носит ступенчатый характер, а значения токов более чем на порядок меньше.

I, нА 45

0 1 2 и, В

Рис. 4. ВАХ структур АИЗЮ2-А!

I, нА

0,9 0,6

0,3 0

и, В

Г I, нА 6 1 / 1

/ 1. 4

— / /  2

/ 0

Рис. 5. ВАХ структур: а - А!^Ю2^Ю2М-А1; б - А!^Ю2^Ю2м^Ю2-А!

2 3 и, В б

„м_,

2 -2 а , см

а

Наконец, на рис. 5, б представлена ВАХ структуры А1^Ю2^Ю2М^Ю2-А1, которая отличается по виду от ВАХ для структур А1^Ю2-А1 и А1^Ю2^Ю2М-А1. Полученные характеристики говорят о наличии эффекта квантования.

Обсуждение результатов хотелось бы начать с замечания о том, что подобные исследования ранее не проводились и, соответственно, и результаты подобного вида никем ранее не представлялись. По-видимому, нам впервые удалось получить гетероструктур-ные наносистемы на основе широкозонных материалов. В этой связи глубокого обсуждения результатов вряд ли можно ожидать на данном этапе работы.

Известно, что при введении углерода в пленку SiO2 происходит ее «разрыхление», вызванное протеканием реакции SiO2+C^Si+CO2 на этапе образования пленки. Выделяющаяся газовая компонента приводит к образованию пор в пленке и уменьшению ее плотности [4]. Образование несвязанного кремния в пленке SiO2 приводит к размытию края энергетических зон и уменьшению ширины оптической щели.

Объяснение вида ВАХ и характера процессов в структурах Al-SiO2-SiO2M-SiO2-Al и Al-SiO2-SiO2M-Al достаточно сложная задача, поскольку характеристики подобного вида для диэлектрических слоев ранее никто не наблюдал. Если применить формальный подход, то можно по аналогии с ВАХ структур с туннельными переходами, описанной в [5], говорить о том, что для структур Al-SiO2-SiO2M-Al мы наблюдали «кулоновскую лестницу», связанную с наличием эффектов одноэлектронного туннелирования. Более глубокое понимание процессов электропроводности в исследуемых наноструктурах должно базироваться на существовании в них одного или двух гетеропереходов из широкозонных материалов.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ в соответствии с договором 13.G25.31.0011 от 07 сентября 2010 г. в порядке реализации Постановления № 218 Правительства РФ.

Литература

1. Алферов Ж.И. История и будущее полупроводниковых гетероструктур // Физика и техника полупроводников. - 1988. - Т. 32, № 1 - С. 3-18.

2. Сахаров Ю.В. Влияние примеси углерода на формовку и электрофизические параметры МДМ-структур: Дис. ... канд. техн. наук. (Томск), 2006. - 150 с.

3. Казимиров А.И. Свойства плёнок диоксида кремния, модифицированных углеродом / А.И. Казимиров, Л.С. Михайленко, Ю.В. Сахаров, П.Е. Троян // Становление и развитие научных исследований в высшей школе: сб. трудов Междунар. науч. конф., по-свящ. 100-летию со дня рождения профессора А.А. Воробьева. - Томск: Изд-во Том. политех. ун-та, 2009. - Т. 1. - С. 339-344.

4. Троян П.Е. Физико-химические процессы в пленках диоксида кремния в сильных электрических полях // Известия вузов. Физика. - 2005. - № 12. - С. 70-73.

5. Лозовский В.Н. Нанотехнология в электронике: учебн. пособие / В.Н. Лозовский, Г.С. Константинова, С.В. Лозовский. - СПб.: Лань, - 2008. - 336 с.

Казимиров Артем Игоревич

Магистрант каф. физической электроники ТУСУРа

Тел.: 8-923-407-93-64

Эл. почта: tpe@ms.tusur.ru

Сахаров Юрий Владимирович

Канд. техн. наук, доцент каф. физической электроники ТУСУРа

Тел.: 8-923-408-06-76

Эл. почта: suv@ms.tusur.ru

Троян Павел Ефимович

Д-р техн. наук, проф., зав. каф. физической электроники ТУСУРа

Тел.: 8-913-110-22-11

Эл. почта: tpe@ms.tusur.ru

Kazimirov A.I., Sakharov Yu.V., Trojan P.E.

An investigation of heterostructures based on large-gap material layers

The heterostructures based on large-gap material layers have been investigated. For the case of single and double nano-heterostructures,anomalous current-voltage characteristics have been found. Keywords: silicon dioxide, silicon dioxide modified with carbon, heterostructures, current-voltage characteristics, Coulomb staircase.