Сверхрешетка

 

Использование: в микроэлектронике, вычислительной технике, оптоэлектронике. Сущность изобретения: в устройстве между полупроводниковой подложкой и металлическим электродом расположен туннельно прозрачный слой диэлектрика, подложка выполнена легированной так, что область пространственного заряда на границе с диэлектриком в полупроводнике туннельно прозрачна. Толщина слоя диэлектрика 1 - 5 нм, а в качестве металла электрода использован InGa при выполнении подложки из кремнии p-типа проводимости. 1 з.п.ф-лы, 7 ил.

Предполагаемое изобретение относится к области микроэлектроники и может быть применено в приборах, использующих свойства многослойных структур нанометрового диапазона толщин. Его применение, в частности, способствует дальнейшей миниатюризации приборов и расширению их функций и возможностей по управлению свойствами приборов.

В современной микроэлектронике многослойные структуры занимают ведущие позиции, причем наиболее распространенным и важным элементом является структура металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-структура) [1] Наиболее освоенной толщиной диэлектрика является толщина порядка 100 нм. В последнее время наметилась тенденция к снижению толщины диэлектрического слоя в МДП-структуре, что позволяет более эффективно управлять ее электрофизическими характеристиками. Качественный скачок в этом направлении открывается с переходом в нанометровый диапазон толщин диэлектрика: изменение размерных параметров приводит к появлению новых электрофизических свойств структуры, а следовательно, новых функциональных возможностей.

Среди многослойных структур нанометрового диапазона толщин перспективное место занимают сверхрешетки устройства с искусственной периодичностью, в которых реализуются процессы резонансного туннелирования электронов, обеспечивающие уникальные электрофизические и оптоэлектронные свойства таких структур, открывающие возможности их многообразного практического применения [2] Сверхрешетки представляют собой многослойные структуры из цепи последовательно соединенных p n- -переходов легированные сверхрешетки или из цепи гетеропереходов, составленных из различных чередующихся материалов, чаще всего двух подобранных специальным образом полупроводников, - композиционные сверхрешетки. Для создания искусственной периодичности используют и оба метода в суперпозиции. Для того, чтобы проявились уникальные электрофизические свойства сверхрешеток, количество искусственных периодов должно быть не менее 2. Сверхрешетку с двумя искусственными периодами называют двойным барьером. Таким образом, двойной барьер это простейшая из сверхрешеток. Он обладает минимальным количеством гетеропереходов и, следовательно, искусственно созданных слоев. В известных устройствах их количество не менее 5.

Первый двойной барьер был описан в [3] и был изготовлен на основе двух полупроводников: арсенида галия GaAs и тройного соединения Al_xGa_1-xAs. Такой двойной барьер продолжает интенсивно исследоваться и к настоящему времени является наиболее изученным устройством подобного типа. Эту "классическую" сверхрешетку мы выбрали в качестве прототипа и на анализе ее остановимся позже.

При рассмотрении аналогов приведем несколько конкретных примеров. Известный "прибор с туннельным резонансом" [4] включает сверхрешетку из трех полупроводниковых слоев с малой шириной запрещенной зоны, служащих квантовыми ямами, и четырех слоев полупроводника с более широкой запрещенной зоной, служащих барьерами. В квантовой яме сформировано 3 квантовых уровня. Обнаружено существование 3 резонансных пиков и указывается на возможность использования устройства в качестве логического элемента с тремя состояниями. Однако известное устройство, имея 7 полупроводниковых слоев, довольно сложно и дорого.

Известна сверхрешетка [5] составленная из аморфных кремния и двуокиси кремния. Она построена по известному принципу композиционной сверхрешетки: искусственная периодичность достигается многократным повторением выбранного гетероперехода. Количество периодов порядка 50. Такое большое количество периодов необходимо для обеспечения достаточной протяженности области поглощения света при исследовании фотолюминесценции. Только исследованием фотолюминесценции ограничивается известная информация. По-видимому, у такой сверхрешетки не могут быть достигнуты уникальные электрофизические характеристики из-за ее конструктивных особенностей и невысокого качества сверхрешетки. Итак, известная сверхрешетка сложна и отсутствуют сведения о наблюдении в ней резонансного туннелирования электронов.

Вместе с тем известна публикация [6] где продемонстрирована возможность резонансного туннелирования электронов через примесный уровень в МДП-структуре. Это, хотя и интересное исследование, выходит, по-видимому, за рамки раздела сверхрешеток. Кроме того, более существенным недостатком известного устройства в свете рассматриваемых особенностей электрофизических характеристик, обусловленных резонансным туннелированием, является наличие только одной слабо выраженной особенности вольт-амперных характеристик.

Известна сверхрешетка по типу двойной барьер [7] наиболее близкая по решению технической задачи к предполагаемому изобретению. Схема прототипа представлена на фиг. 1а. Эта сверхрешетка является многослойной структурой и включает полупроводниковую подложку П₀ 1, верхний металлический электрод 2, между которыми расположена область 3, образованная последовательно чередующимися слоями полупроводников П₁П₂П₁П₂ нанометрового диапазона толщин.В качестве П₀ использован кремний Si, в качестве П₁ GаAs, в качестве П₂ Al_xGа_1-xAs. Известная сверхрешетка содержит не менее 5 полупроводниковых слоев, образующих не менее 4 межфазных границ раздела. Это количество технологически изготавливаемых границ является минимальным для известной сверхрешетки. Каждая из границ раздела может являться источником рассеяния и ослаблять процесс резонансного туннелирования. Поэтому большое количество технологически изготавливаемых границ раздела снижает качество двойного барьера, ограничивает резонансные свойства структуры. Сравнительно малая глубина потенциальной ямы и, как одно из следствий этого, малые энергетические зазоры между квантованными минизонами затрудняют их проявление в электрофизических характеристиках, особенно при температурах комнатной и выше комнатной, и ограничивают резонансные свойства: так, в прототипе наблюдается 1 пик тока при одной полярности напряжения с отношением тока в пике к току в долине, равным 2,9 при комнатной температуре.

Известной сверхрешетке, принятой в качестве прототипа, присущи недостатки, типичные практически всем известным сверхрешеткам, а именно усложненность и дороговизна конструкции вследствие большого количества гетеропереходов и дорогого метода их получения и контроля для обеспечения требуемого высокого качества слоев и границ раздела. Проблематичной представляется совместимость технологий приготовления и конструкции известного устройства с технологией приготовления и конструкциями устройств современной микроэлектроники. Недостатком известной сверхрешетки является ограниченность резонансных свойств, особенно при повышенных температурах.

Целью предполагаемого изобретения является существенное упрощение и удешевление конструкции и способа изготовления сверхрешетки, приближение конструкций резонансно-туннельных структур к конструкциям современной микроэлектроники, продвижение к их совместимости технологической и конструктивной, использование более доступных материалов для создания сверхрешетки, а также расширение ее резонансных свойств.

Поставленная цель достигается тем, что в сверхрешетке, выполненной по типу двойной барьер в виде многослойной структуры, включающей полупроводниковую подложку и металлический электрод, в соответствии с предлагаемым изобретением между полупроводниковой подложкой и металлическим электродом расположен диэлектрик, выполненный туннельно прозрачным, а полупроводниковая подложка выполнена легированной с туннельно прозрачной областью пространственного заряда при приложении к структуре запорного напряжения.

Кроме того, поставленная цель достигается тем, что полупроводниковая подложка выполнена из легированного кремния p-типа, на котором расположен диэлектрик толщиной 1 5 нм, а металлический электрод выполнен из InGа.

Сущность предлагаемого устройства поясняется фиг.1б, на которой изображено конструктивное решение предлагаемого устройства. Устройство состоит из полупроводниковой подложки (1), металлического электрода (2) и расположенного между ними туннельно прозрачного диэлектрика (3).

Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом. К устройству прикладывается внешнее напряжение от источника постоянного напряжения. Электрическая схема подсоединения устройства к источнику напряжения представлена на фиг.2а. На фиг.2б изображена энергетическая диаграмма работающего устройства. При подаче на структуру напряжения указанной отрицательной полярности: "-" на полупроводниковой подложке pр-типа на базе предлагаемого устройства формируется двойной барьер. При этом одной частью двойного барьера служит туннельно тонкий p n-переход в полупроводнике 1 (фиг.2 б), возникающий за счет эффекта поля, другой туннельно тонкий диэлектрик 3. Между ними расположена квантовая яма 2, глубина и энергетика которой регулируются приложенным напряжением. За счет квантования минизон этой ямы осуществляются процессы резонансного туннелирования через квантованные минизоны как из полупроводника в металл, так и из металла в полупроводник. Последние обу словлены зарядовой памятью структуры.

Последовательные процессы резонансного туннелирования осуществляются следующим образом. При увеличении напряжения рассматриваемой отрицательной полярности развивается одна часть двойного барьера p n-переход 1 (фиг. 2 б), квантовая яма 2 с ростом напряжения становится все глубже и уровни квантовой ямы 0,I,II, опускаются все ниже. При определенных напряжениях, когда энергии уровней квантовой ямы совпадают с энергией уровня Ферми полупроводника E_F-уровня, с которого начинается туннелирование, осуществляются процессы резонансного туннелирования. По мере возрастания напряжения все более высокие уровни квантовой ямы начинают принимать участие в резонансном туннелировании. В результате происходящих резонансных процессов на вольт-амперных характеристиках (ВАХ) и вольт-фарадных характеристиках (C-Y-характеристиках) появляются особенности в виде пиков и ступеней. Примеры таких характеристик для конкретных структур по п.2 представлены на фиг.3-7.

Отметим, что для создания двойного барьера в предлагаемом изобретении использован принцип, отличный от существующих, заключающийся в использовании в качестве одной из частей двойного барьера области пространственного заряда полупроводника, специальным образом организованной. Замена нескольких гетеропереходов одним p n-переходом, создаваемым к тому же с помощью эффекта поля, позволяет значительно упростить и удешевить конструкцию. На фиг.1а и б сопоставлены конструкции прототипа и предлагаемого устройства. В последнем количество технологически изготавливаемых слоев уменьшено до 2, что дает 2 межфазные границы раздела. В прототипе количество слоев не менее 5, а количество межфазных границ не менее 4. Использование в предлагаемом устройстве совершенной границы полупроводника с диэлектриком, а также реализация глубоких потенциальных ям позволяют улучшить резонансные свойства сверхрешетки. Наиболее существенно достоинства проявляются при температурах комнатной и выше комнатной. В предлагаемом устройстве создается вариабельный несимметричный двойной барьер с вытекающими отсюда последствиями. С практической точки зрения предлагаемое устройство ближе в конструктивном и технологическом планах к устройствам современной микроэлектроники.

Заявителю и автору известны исследования электрофизических характеристик МДП-структур с туннельно прозрачным диэлектриком. Однако нам не известны работы по его использованию для создания двойного барьера, где туннельно прозрачный диэлектрик высокого качества является необходимым, но недостаточным компонентом при выполнении двойного барьера и обеспечении резонансного туннелирования электронов.

Характеристики предлагаемой сверхрешетки можно менять, изменяя толщину диэлектрика и уровень легирования полупроводника, и так оптимизировать устройство в аспекте процессов резонансного туннелирования. При этом при толщине диэлектрика менее 0,5 нм фактически не реализуется сама МДП-структура, а при толщинах более 5 нм перераспределение напряжения между полупроводником и диэлектриком таково, что увеличивается доля последнего, а также ослабевают туннельные процессы из-за большой толщины диэлектрического барьера (8).

Конкретные сверхрешетки по п.2 выполнены следующим образом. На пластину монокристаллического кремния p-типа нанесен тыльный омический контакт, а лицевая поверхность пластины покрыта диэлектриком, слой которого имеет толщину в несколько нанометров. Поверх диэлектрика нанесен слой металла, образующий верхний металлический электрод. К металлическим контактам верхнему и тыльному подводится напряжение от источника постоянного напряжения.

В лабораторных условиях НИИ физики Санкт-Петербургского университета были проведены исследования ВАХ и C-Y-характеристик таких сверхрешеток, которые показали существование особенностей в виде пиков и ступеней, свидетельствующие о реализации резонансного туннелирования электронов. Результаты таких исследований представлены на фиг.3-7 и описаны в конкретных примерах. На фиг.3 приведена C-Y-характеристика одной из структур. На фиг.4-7 представлены ВАХ предлагаемых устройств при различной толщине диэлектрика и различной полярности приложенного напряжения.

Примеры конкретного выполнения.

1.Для создания сверхрешетки на основе МДП-структуры взяли кремний p-типа проводимости с удельным сопротивлением ρ 0,01 Ом·см, кристаллографической ориентацией поверхности /100/,нанесли тыльный омический контакт большой площади из алюминия, переднюю поверхность кремниевой пластины покрыли слоем диэлектрика. Толщину диэлектрического покрытия установили равной 1,7 ± 0,5 нм. Контроль за толщиной осуществлялся эллипсометрическим методом. Оценку толщины диэлектрического слоя можно осуществить из приведенных C-Y-характеристик (фиг. 3) по отношению C_мин/ C_макс 0,23. Поверх слоя диэлектрика нанесли InGa. Площадь верхнего металлического электрода составляла несколько десятых кв. мм. На фиг.4 представлена ВАХ изготовленной структуры при отрицательной полярности напряжения. В этом случае на базе созданной МДП-структуры возник двойной барьер, свойства которого изменялись с изменением приложенного напряжения. При увеличении напряжения минизоны квантовой ямы 0,I, II,(фиг.2б) входили последовательно в резонанс с уровнем Ферми кремния E_F, вызывая процессы резонансного туннелирования из кремния в InGа. Это привело к резкому возрастанию тока в области насыщения ВАХ при напряжениях, превышающих 0,8 В, и к появлению пиков и ступеней на ВАХ (фиг.4). На C-Y-характеристике (фиг. 3) отмечались характерные "ступени". После зарядки структуры резонансное туннелирование электронов и характерные электрофизические характеристики с пиками наблюдались и при положительной полярности напряжения. На фиг.5 приведена ВАХ, полученная при положительной полярности напряжения. Отмечались более выраженные по сравнению с предыдущим случаем пики при осуществлении резонансного туннелирования электронов из металла в энергетическую щель кремния, образованную уровнем Ферми и потолком валентной зоны. Полученные отношения тока в пике к току в долине превышало значения, демонстрируемые прототипом, и наибольшее из них достигало порядка 10². Количество наблюдаемых особенностей также превосходит количество особенностей, наблюдаемых в прототипе.

2. Изготовили МДП-структуру, как в примере 1, на основе p-кремния с r 0,01 и кристаллографической ориентацией /100/, но с толщиной диэлектрического слоя порядка 1 нм. ВАХ этой структуры приведена на фиг.6. Из сопоставления фиг. 6 и 4 следует, что в данном случае при резонансном туннелировании из кремния в InGа при подаче напряжения отрицательной полярности на ВАХ появились особенности менее отчетливые, чем в примере 1. Изменились положение особенностей на шкале напряжений и расстояния между ними в соответствии с уменьшением толщины диэлектрического слоя. Условия для резонанса в этом случае ухудшились.

3. Изготовили МДП-структуру, как в примере 1, на основе p-кремния с r 0,01 и кристаллографической ориентацией /100/, но с толщиной диэлектрического слоя 4 ± 0,5 нм. На фиг. 7 представлена ВАХ резонансного туннелирования из InGа в кремний. Отмечается снижение величины туннельного тока по сравнению с примером 1 (фиг. 4), что вызвано возрастанием толщины диэлектрического слоя. Последнее обстоятельство определяет и положение пиков на шкале напряжений и расстояние между ними.

Предлагаемое устройство обладает улучшенными осциллирующими электрофизическими характеристиками, в основе которых лежат процессы резонансного туннелирования электронов в двойном барьере, созданном на базе более простой многослойной структуры, являющейся МДП-структурой с туннельно тонкими диэлектриком и областью пространственного заряда полупроводника. Сущность изобретения удовлетворяет критериям "новизна" и "изобретательский уровень", поскольку в литературе не описаны технические решения, позволяющие упростить конструкцию и улучшить ее резонансные свойства, что достигается аналогичной конструкцией МДП-структуры.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого устройства состоит в следующем. По сравнению с известными в мировой практике сверхрешетками предлагаемое устройство отличается низкой себестоимостью, которая на несколько порядков ниже, чем у прототипа. По оценке себестоимость предлагаемого устройства менее 1 копейки против более 1 тыс.рублей для прототипа. Таким образом, предлагаемое усройство имеет коммерческую ценность. Основными его достоинствами являются дешевизна, простота конструкции и способа изготовления, меньшая трудоемкость, доступность, возможность электрического управления и контроля его важнейших характеристик как в процессе создания,так и процессе работы устройства. Следовательно, при налаженном производстве не потребуется дорогого оборудования за контролем устройства. Предлагаемое устройство проще совместимо с приборами современной микроэлектроники в технологическом и конструктивном планах.

Предлагаемое устройство способствует дальнейшей миниатюризации микроэлектронных устройств, а также расширению их функций и возможностей управления свойствами приборов на его основе.

Устройство может найти самое широкое применение в современной технике, особенно микроэлектронике, вычислительной технике и оптоэлектронике. Оно может дать жизнь компьютеру нового поколения. 2

Формула изобретения

1. Сверхрешетка с двойным барьером, включающая полупроводниковую подложку и металлический электрод, отличающаяся тем, что между полупроводниковой подложкой и металлическим электродом расположен слой диэлектрика, выполненный туннельно прозрачным, а полупроводниковая подложка выполнена легированной так, чтобы обеспечить туннельную прозрачность области пространственного заряда полупроводника, возникающей вблизи границы с диэлектриком.

2. Сверхрешетка по п.1, отличающаяся тем, что полупроводниковая подложна выполнена из легированного кремния p-типа, на котором расположен свой диэлектрика толщиной 1-5 нм, а металлический электрод выполнен из In Ga.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7