А. В. Двуреченский, А. И. Якимов

УДК 621.315.592
А. В. Двуреченский, А. И. Якимов
Квантовые точки Ge в МДП- и фототранзисторных структурах.
Представлены экспериментальные зависимости тока в канале полевого транзистора
со встроенным слоем квантовых точек (КТ) Ge от напряжения на затворе. Обнаружены
хорошо разрешенные пики тока, связанные с эффектом кулоновской блокады при
туннелировании дырок через дискретные уровни в Ge КТ. Осцилляции тока
наблюдаются при повышении температуры от криогенных значений до комнатной
температуры. Рассматривается механизм появления фототока при переходе дырок из
основного в возбужденное состояние вследствие поглощения света (фототранзистор с
плавающей базой).
МДП-структуры. Продолжающиеся работы по созданию одноэлектронных
транзисторов (ОЭТ) различных типов связаны, прежде всего, с надеждами на их
практическое использование в сверхплотных быстродействующих электронных схемах.
Большинство разрабатываемых в настоящее время ОЭТ на основе Si содержат квантовые
точки (КТ) нанометровых размеров в качестве важного элемента конструкции прибора.
Обычно КТ встраиваются в виде транспортного мостика для носителей заряда между
истоком и стоком полевого транзистора. Наряду с продолжающимися разработками
структур с единичной КТ [1-4], отделенной от истока и стока потенциальными
барьерами, растет число работ по созданию и изучению структур, содержащих массив
КТ [5-7].
Развиваемый нами подход создания ОЭТ основан на встраивании в проводящий
канал полевого транзистора слоя КТ Ge, формирующегося при гетероэпитаксии на
Si(100) из молекулярных пучков. В разработанном режиме низкотемпературной
1
эпитаксии слоевая плотность нанокластеров Ge составляет (3-4)1011 см-2, средний их
размер – 12-15 нм в плоскости роста и 1.5 нм в направлении роста структуры [8]. Было
показано, что перенос заряда по слою КТ Ge с указанной плотностью осуществляется
прыжковым механизмом. Температурная зависимость проводимости следует закону
Мотта для двумерных систем: ~exp[-(TM/T)1/3] при малой степени заполнения КТ (Np
~1/2 – наполовину заполненное основное состояние). При Np 1/2  ~ exp[-(T0/T)
1/2
] [9-
11]. Здесь TM и T0 – постоянные.
Значение показателя 1/2 свидетельствует о том, что энергия активации прыжковой
проводимости определяется кулоновским взаимодействием в плотном массиве КТ
[10,11]. При исследовании переноса заряда по слою КТ в зависимости от напряжения на
затворе
транзистора
был
обнаружен
осциллирующий
характер
проводимости,
объясняемый последовательным заполнением дырками энергетических состояний в КТ.
В структурах, содержащих под затвором ~109 квантовых точек, обнаружено 6
разрешенных пиков в изменении проводимости от напряжения на затворе в области
низких температур (<9 K). Сделан вывод, что пики связаны с заполнением в квантовых
точках основного (2 дырки) и возбужденного (4 дырки) состояний, и снятие вырождения
основного и возбужденного состояний обусловлено эффектом кулоновской блокады.
Для
установления
электронной
конфигурации
отдельной
КТ
необходимы
структуры с предельно малым числом КТ под затвором МДП-транзистора. В этом случае
естественно ожидать уменьшения вклада разброса КТ по размерам и снижения роли
дальнодействующего кулоновского взаимодействия между КТ. С точки зрения
практических применений необходимо обеспечить функционирование прибора (действия
одноэлектронных эффектов) при комнатной температуре, что требует синтеза КТ малого
размера (~10 нм). Перечисленные условия приводят к системе достаточно жестких
требований к методам и технологии создания МДП-транзисторов, в которых
одноэлектронные процессы проявляются при комнатной температуре. Кроме того,
2
проводимые в этом направлении эксперименты показали, что для уменьшения токов
утечки в МДП-транзисторе с КТ, целесообразно применять структуры кремний-наизоляторе (КНИ) с тонким слоем Si [10,12].
Исходным материалом в нашей работе служили пластины КНИ, приготовленные по
технологии SIMOX (Separation by IMplanted OXygen) с ориентацией поверхности (100).
Толщина слоя Si на изоляторе составляла 150 нм, толщина диоксида кремния – 0.4 мкм.
Для уменьшения утечек тока слой Si дополнительно утончался до 47 нм с помощью
термического окисления и последующего травления в плавиковой кислоте. Затем,
методом молекулярно-лучевой эпитаксии, формировалась структура, схема которой
показана на рис.1. Температура подложки при росте первых 20 нм кремния составляла
800С, температура роста слоя Ge - 300С, заращивание германия слоем кремнием
осуществлялось при 500С. Скорость осаждения составляла 0.3 нм/с для Si и 0.03 нм/с
для Ge. Формирующиеся в таком процессе роста нанокластеры Ge имели средние
размеры в плоскости роста 10 нм, высоту 1 нм, их слоевая плотность составляла 41011
см-2. Обеспечение КТ Ge носителями заряда (дырками) осуществлялось путем введения в
структуру -легированного бором слоя Si, который выращивался на расстоянии 20 нм
над слоем германия. Концентрация бора в -слое составляла 61012 см-2, что давало
возможность заполнения дырками не только локализованных состояний в нанокластерах
Ge, но и двумерных дырочных состояний в сплошном слое Ge, на котором формируются
нанокластеры.
Слабая
(не
активационная)
температурная
зависимость
слоевой
проводимости такой структуры в интервале температур от 4 до 300 К подтвердила
наличие канала, содержащего вырожденный газ носителей заряда.
С помощью фотолитографии и последующего жидкостного травления был
сформирован канал транзисторов длиной 4 мкм и шириной от 1 до 2 мкм, на который
затем из газовой фазы химически осаждался (450С) подзатворный диэлектрик SiO2
толщиной около 60 нм. Из анализа зависимости сопротивления канала транзистора от его
3
геометрической ширины было установлено, что ширина области обеднения в канале при
отсутствии потенциала на затворе составляет 0.9 мкм (при таком размере проводимость
канала обращалась в ноль). Таким образом, размер области, в которой сосредоточены
носители, т. е. "электрическая" ширина канала транзистора, составляла для разных
структур от 0.1 до 1.1 мкм. Затвор транзистора представлял собой алюминиевую полоску
шириной 1 мкм. Приняв во внимание размеры проводящего канала и величину
плотности нанокластеров Ge, можно оценить, что такие транзисторы в активной области
содержали от 400 до 4000 КТ Ge.
На рис. 2 представлены экспериментальные зависимости тока в канале транзистора
от напряжения на затворе при различных температурах [12]. Напряжение сток-исток
составляло 5 мВ. При увеличении положительного потенциала затвора V g наблюдается
резкое падение проводимости, связанное с выдавливанием дырок из канала транзистора.
В области Vg  2—4 В при температурах, начиная с 70 К, проводимость обращается
практически в ноль. При дальнейшем увеличении напряжения появляются хорошо
разрешенные пики тока, связанные, по-видимому, с туннелированием дырок через
дискретные уровни в КТ Ge. Заметим, что модуляция проводимости канала транзистора,
обусловленная дискретным спектром дырок в КТ, наблюдается даже при температуре
близкой к комнатной, что свидетельствует о перспективности гетероструктур Ge/Si с
квантовыми точками при создании ОЭТ, функционирующих при высоких температурах.
Энергия электростатической зарядки КТ Ec находится из соотношения Ec  eVg ,
где e - заряд электрона,  - безразмерный коэффициент масштабного преобразования
шкалы напряжения в энергетическую шкалу, Vg  1.1 В – период осцилляций тока
транзистора. В свою очередь, величина  может быть определена из температурной
зависимости ширины пиков тока на полувысоте, которая в режиме кулоновской блокады
должна изменяться с температурой как 3.5kT e , где k - постоянная Больцмана.
4
При T  0 величина   3.9  0.3  102 и остаточная ширина V0  0.49  0.05 В. С
учетом
полученного

значения
определим
электростатическую
энергию
КТ
Ec  43  3 мэВ. Эта величина превышает тепловую энергию носителей заряда при
комнатной температуре (26 мэВ), что является ключевым обстоятельством для
наблюдения одноэлектронных осцилляций тока при комнатной температуре.
Фототранзисторы. Особенности фотодетекторов с КТ связаны с дискретным
характером плотности электронных состояний и сформулированы в [13]. Во-первых,
квантование движения носителей заряда в плоскости слоя КТ снимает запрет на
оптические переходы, поляризованные в этой плоскости, а значит, предоставляет
возможность поглощения фотонов при нормальном падении света на структуру без
дополнительных решеток и отражателей. Во-вторых, ожидается большая величина
коэффициента внутреннего усиления из-за малой величины вероятности захвата
фотовозбужденных носителей заряда вследствие подавления электрон-фононного
взаимодействия в КТ в условиях, когда энергетический зазор между уровнями
размерного квантования больше характерных энергий фононов. В-третьих, низкая
скорость термической генерации, благодаря дискретному характеру электронного
спектра, приводит к улучшению отношения сигнал/шум. В-четвертых, переходы
электронов
между дискретными
уровнями
энергии
в
КТ
дают
возможность
детектирования сигнала в узкой полосе спектра излучения. Кроме того, поскольку
пространственная протяженность волновых функций носителей заряда в КТ составляет
величину 10 нм или даже больше [14], то дипольный матричный элемент для
межуровневых переходов намного превышает значения всех известных естественных
легирующих элементов в объемных полупроводниках.
Структура
исследуемого
фототранзистора
включала
сильнолегированную
подложку p+-Si (КДБ-0.005), служащую нижним электрическим контактом, 8 слоев Ge
КТ,
разделенных
областями
Si
толщиной
110
нм,
и
верхнего
электрода,
5
сформированного путем наращивания 50 нм p+-Si с концентрацией бора 1019 см-3. На
расстоянии 10 нм от каждого слоя Ge встраивались -легированные (бором) области Si со
слоевой концентрацией 6  1011 см-2. При таком расстоянии практически все дырки
переходили из -легированных слоев в слои Ge, что обеспечивало практически полное
заселение основного состояния КТ дырками. Активная область прибора (меза-структура)
площадью 1.51.5 мм2 формировалась с помощью жидкостного травления в растворе на
основе HF:HNO3 на глубину 5 мкм. На p+-Si (вершина и основание меза-структуры)
осаждались контактные площадки (Au) диаметром 0.5 мм. Измерения фотоотклика
проводились между верхним и нижним областями p+-Si.
Описанная конструкция прибора представляет собой фототранзистор с плавающей
базой [15]. Роль базы выполняет массив нанокластеров Ge, заключенный внутри слоя i-Si
между p+-Si эмиттером и p+-Si коллектором. В отсутствии освещения квантовые точки
обладают положительным зарядом дырок, находящихся в основном состоянии.
Электростатический потенциал заряженных КТ создает потенциальный барьер,
величиной   2 LK 0 , для дырок в валентной зоне. Здесь L - период повторения
слоев Ge, K - число слоев КТ,  - плотность заряда в каждом из слоев КТ,  относительная диэлектрическая проницаемость кремния,  0 - электрическая постоянная.
Механизм появления фотопроводимости иллюстрирует рис. 3. При поглощении
излучения дырки, связанные в КТ, переходят из основного в возбужденное состояние, в
котором, вследствие подбарьерного проникновения, волновая функция дырки имеет
больший радиус локализации [9,11,14]. Это означает, что при освещении снижается
эффективная плотность положительного заряда  , сосредоточенного в слое квантовых
точек и, следовательно, уменьшается потенциальный барьер   между эмиттером и
коллектором и возрастает термоэмиссионый ток дырок через структуру. Именно этим
механизмом возникновения фотопроводимости объясняется, повидимому, наблюдение
6
пиков фототока в области 20 мкм (переход из основного в первое возбужденное
состояние) и 10 мкм (переход из основного во второе возбужденное состояние) [16].
Из измерений токовой чувствительности R и токового шума была получена
максимальная обнаружительную способность D*  1.7  10 8 смГц1/2/Вт на длине волны
20 мкм и D*  0.7  10 8 смГц1/2/Вт на 10 мкм при комнатной температуре для
рассматриваемого фототранзистора [16]. Квантовая эффективность фототранзистора
составила 0.1%. Следует отметить, что полученные значения сравнимы c достигнутыми в
настоящее время значениями в структурах на основе полупроводниковых соединения с
КТ (система InAs/GaAs) [17].
Работа выполнялась при поддержке грантов РФФИ (02-02-16020 и 99-0239051ГФЕН), программы «Университеты России» (конкурс 2002г.) и гранта ИНТАС
(#615).
7
Подписи к рисункам.
Рис. 1. Изображение полевого транзистора в атомно-силовом микроскопе (размеры
приведены в микронах, буквами S, D и G обозначены исток, сток и затвор
соответственно) и схема поперечного сечения канала транзистора [12].
Рис. 2. Зависимость тока исток-сток от напряжения на затворе при различных
температурах [12].
Рис.3. Энергетическая структура квантовых точек Ge в Si и схема фототранзисторного
механизма появления фототока при переходах дырок между локализованными
состояниями.
8
Список литературы.
1.
Zhuang L., GuoL., Chou Y. // Appl.Phys.Lett. 1998. V.72.No.10. P.1205.
2.
Sakamoto T., Kawaura H., Bata T. // Appl.Phys.Lett. 1998. V.72.No.7. P.795.
3.
Saitoh M., Takahashi N., Ishikuro H., Hiramoto T. // Jpn.J.Appl.Phys. 2001. V.40.No.3B.
P.2010.
4.
Wang T.H., Li H.W., Zhou J.M. // Appl.Phys.Lett. 2001. V.78. No.15. P.2160.
5.
Park J.W., Park K.S., Lee B.T. // Appl.Phys.Lett. 1999. V.75.No.4. P.566.
6.
Uchida K., Koga J., Ohba R. et all. // J.Appl.Phys. 2001. V.90. No.7. P.3551.
7.
Двуреченский А.В., Якимов А.И. // Известия РАН, серия физическая. 2000. Т. 65. С.
306.
8.
Пчеляков О.П., Болховитянов Ю.Б., Двуреченский А.В. и др. // ФТП. 2000. Т.34. №3.
С.1281.
9.
Yakimov A.I., Adkins C.J.,.Boucher R. et al. // Phys.Rev.B.1999. V.59. No.19. P.12598.
10. Yakimov A.I., Dvurechenskii A.V., Kirienko V.V. et al. // Phys.Rev.B. 2000. V.61. No.16.
P.10868.
11. Двуреченский А.В., Якимов А.И. // Известия РАН, серия физическая. 2001. Т. 65. № 2.
С. 187.
12. Yakimov A.I., Dvurechenskii A.V., Kirienko V.V., Nikiforov A.I. // Appl.Phys.Lett. 2002.
13. Yakimov A.I., Dvurechenskii A.V. //Intern. Journal of High Speed Electronics and Systems,
special issue edited by V.I. Ryzhii (Word Scientific Publishing Company) 2002.
14. Двуреченский А.В., Якимов А.И. // УФН. 2001. Т.171, №12. С.7.
15. Ryzhii V.I., Khmyrova I., Mitin V. et al. // Semicond. Sci.Technol. 2001. V.16. P.331.
16. Yakimov A.I., Dvurechenskii A.V., Nikiforov A.I, Proskuryakov Yu.Yu. // J.Appl.Phys. 2001.
V.89. №10. P.5676.
17. Tang S.-F., Lin S.-Y., Lee S.-C. // Appl.Phys.Lett. 2001. V.78. No.17. P.2428.
9
60 нм SiO2
30 нм i-Si
D
-легир. Si:B
20 нм i-Si
S
G
Ge КТ
20 нм i-Si
КНИ
10
1,4
T=300 K
1,2
1,0
Ток (нА)
200 K
0,8
70 K (x10)
0,6
0,4
38 K (x100)
28 K (x500)
0,2
0,0
1
3
5
7
9
11
13
Напряжение на затворе (В)
11
база Ge
эмиттер
коллектор
ток дырок
база Ge
эмиттер
коллектор
ток дырок
12
Институт физики полупроводников СО РАН
630090, Новосибирск,
проспект академика Лаврентьева 13,
Новосибирский государственный университет,
630090, ул. Пирогова 2
тел. служ. (3832)332466
тел. дом. (3832)344606 (Двуреченский Анатолий Васильевич)
E’mail: [email protected]
Dvurechenskii A. V., Yakimov A. I.
Ge/Si quantum dots in MOS field effect and photo transistors.
Institute of Semiconductor Physics, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences,
630090, Novosibirsk, Lavrent’ev prospekt 13,
Novosibirsk State University, 630090, Pirogova ul. 2
13