74
плотности состояний») за счет различных механизмов уширения (высокий уровень легирования, микроскопические флюктуации состава и др.) [16].
Рисунок 6.7 - Плотность состоянии в объемном ЗD (а), двумерном 2D (6), одномерном 1D (в) и нульмерном 0D (г) электронном газе. Пунктиром показано влияние эффектов уширения на функции плотности состояний
В квантовой нити плотность электронных состояний определяется как число разрешенных состояний, приходящихся на единичный интервал энергий и на единицу длины. В пределах каждой подзоны с фиксированной
энергией размерного квантования En1n2 плотность состояний уменьшается с
ростом энергии пропорционально |
1 |
E − En n |
2 |
(рис. 6.7, в). При |
En n |
2 |
|
1 |
|
1 |
|||
плотность состояний в идеальной квантовой нити расходится, но в реальных ситуациях благодаря эффектам уширения это значение оказывается конечным.
Плотность состояний нульмерной системы 0D, т. е. квантовой точки, состоит из набора δ-функций, положение которых совпадает с энергией уровней размерного квантования (рис. 6.7, г). Это дискретный спектр разрешенных значений энергий, подобный спектру атомов и молекул. Даже в идеальной ситуации, когда имеется набор квантовых точек с абсолютно одинаковыми параметрами, их уровни будут иметь конечную ширину, определяемому конечностью времени жизни в возбужденном состоянии [16].
6.3 Сверхрешетки
Сверхрешетками (СР) называют структуры с периодическим изменением уровня легирования полупроводника, образующего последовательность гомопереходов (легированные СР), а также многослойные структуры из гетеропереходов (композиционные СР) с типичной толщиной слоев 8 - 10 нм [17, 15, 5]. Потенциальный профиль легированных СР обусловлен электростатическим потенциалом
75
ионизированных примесей, а композиционных - периодическим изменением ширины энергетической запрещенной зоны в направлении роста кристалла.
Рисунок 6.8 - Координатная зависимость зонной диаграммы легированной СР nipi-GaAs: 1 - ионизированные доноры; 2 - ионизированные акцепторы
В легированных СР результирующее распределение заряда ионизованных доноров и акцепторов создает совокупность параболических потенциальных ям (см. рис. 6.8). Пространственное разнесение минимума зоны проводимости и максимума валентной зоны кардинально сказывается на параметрах системы. Так, из-за малого перекрытия электронных и дырочных состояний времена электронно-дырочной рекомбинации могут на много порядков превосходить соответствующие значения в однородном полупроводнике. Путем подбора уровней легирования и толщин слоев эффективной ширине запрещенной зоны ЕСР можно придавать практически любое значение от нуля до ширины запрещенной зоны исходного материала Eg [5].
Рисунок 6.9 - Координатные зависимости зонной диаграммы для композиционной СР типа I (а), типа II (б) и политипной (в)
Композиционные СР бывают трех типов: контравариантные (тип I), ковариантные (тип II) и политипные. В контравариантных СР (см. рис. 6.9, а) разрывы зоны проводимости ΔEC и валентной зоны ΔEV имеют противоположные знаки, и запрещенные зоны Egi слоев полностью перекрываются. В ковариантных СР ΔEC и ΔEV имеют одинаковые знаки, и, соответственно, Egi перекрываются частично (рис. 6.9, б), либо не перекрываются вообще. В политипных СР (рис. 6.9, в) слои, образующие СР
76
типа II, дополняются широкозонным материалом, создающим потенциальные барьеры как для электронов, так и для дырок (по типу I).
Композиционные контравариантные СР изготавливаются, например, на структурах GaAs - AlxGa1-xAs, ковариантные - на InAs - GaSb или In1-xGaxAs - GaSb1-yAsy. Политипные СР конструируются из базовых многокомпонентных систем типа ВАС, АВСА, АСВСА и т. п., где А означает AlSb, В - GaSb, С - InAs.
Возможности легирования отдельных слоев используются и для изменения свойств композиционных СР. Донорной примесью обычно легируют слои с большей шириной запрещенной зоны. Если дно зоны проводимости узкозонного материала (дно квантовой ямы) окажется ниже по энергии, чем донорные уровни в барьерах, то электроны с этих уровней могут перейти в нелегированные слои, пространственно разделившись с породившими их ионизированными донорами, что приведет к увеличению подвижности электронов. Эффект будет более выражен при низких температурах, когда ослаблены процессы фононного рассеяния [5, 17].
Представляют интерес латеральные СР, чередование слоев в которых происходит не в направлении роста кристалла, а в направлении, параллельном поверхности подложки. Такие СР могут быть созданы путем вариации зарядового состояния изолирующего слоя у его контакта с поверхностью полупроводника.21
Рисунок 6.10 - Схема возникновения дополнительного периода трансляции А на поверхностях с высокими кристаллографическими индексами; темные кружки - атомы в квадратной решетке
Принципиально иной способ создания СР в двумерных системах основывается на ориентации плоскости квантовой ямы вдоль
21 Гольдман Е.И., Ждан А.Г. Новый подход к созданию наноэлектронных систем в размерноквантующем потенциальном рельефе встроенных зарядов в изолирующих слоях у поверхности полупроводника // Письма в ЖТФ. - 2000. - Т. 26, вып. 1. - С. 38 - 41.
77
кристаллографических плоскостей с высокими индексами Миллера (ориентационные вицинальные СР).22 Возникающий при этом в плоскости квантовой ямы новый минимальный период трансляции А >> а (см. рис. 6.10) приводит к появлению в таких системах новых границ зон Бриллюэна и минищелей в энергетическом спектре носителей заряда [5].
7 ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СЛОИ
7.1 Назначение и материалы
Диэлектрические слои (пленки) в полупроводниковых ИС применяют в качестве масок в процессах диффузии, фотолитографии, имплантации и др., для пассивации поверхности кристаллаа и защиты элементов ИС от внешних воздействий, электрической изоляции отдельных приборов и коммутационных (как правило, многослойных) проводников, в качестве подзатворного диэлектрика МДП - структур, для изготовления конденсаторов [2 - 4, 14].
В зависимости от функций, выполняемых диэлектрическими слоями, к ним предъявляются различные требования. Для пленок, применяемых в качестве масок, основными требованиями являются: селективность по отношению к тем или иным технологическим факторам (к растворам, облучению, газам, плазме и т. п.); отсутствие пор и трещин; равномерность толщины; однородность структуры и физико-химических свойств (как по площади, так по и глубине маски); хорошая адгезия к пластине. Уникальной маскирующей способностью обладают термически выращенные слои SiO2 на кремнии; широко используются также пленки нитрида кремния Si3N4.
Важнейшими характеристиками диэлектрических пленок, применяемых в качестве изоляции, являются: удельное электрическое сопротивление ρ, электрическая прочность Епр, тангенс угла диэлектрических потерь tgδ, диэлектрическая проницаемость ε, равномерность и стабильность этих свойств. Наряду с SiO2 в качестве изоляции используются Si3N4, оксид алюминия А12О3, диоксид титана ТiO2, пятиокись тантала Та2О5 и др.
Наиболее жесткие требования к диэлектрической пленке предъявляет технология МДП-ИС. Подзатворный диэлектрик должен обладать: особо высокой чистотой и совершенством (или равномерностью) структуры; полным отсутствием каких-либо пор, трещин, выколов и др. нарушений. Все это необходимо для удовлетворительной работы приборов данного типа. В качестве подзатворного диэлектрика МДП-ИС традиционно используются термически выращенные слои SiO2. В последние годы находят применение материалы с более высокой диэлектрической проницаемостью, в частности, диоксид циркония ZrO2.
22 Волков В.А., Петров В.А., Сандомирский В.Б. Поверхность с высокими кристаллографическими индексами - сверхрешетка для двумерных электронов // УФН. - 1980. - Т. 131, вып. 3. - С. 423 - 440.