Электронное строение гетероструктур кремний-титан-кремний с различной толщиной металлического слоя (111) Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК: 622.315; 539.2

А.Г. Захаров, А,1>. Колпачев, Г.В. Арзуманян, В.В. Виноградов

ЭЛЕКТРОННОЕ СТРОЕНИЕ ГЕТЕРОС ГРУКТУР КРЕМНИЙ-ТИ ТАН-КРЕМНИЙ С РАЗЛИЧНОЙ ТОЛЩИНОЙ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО СЛОЯ (111)

Таганрогский государственный радиотехнический университет, 347928, Таганрог, ГСП-17а, пер. Некрасовский, 44, тел.: (86344) 61663; e-mail: egfwisure.ru.

Полупроводниковые гетероструктуры, содержащие металлические слои, являются перспективными элементами наноэлектроники. Определенный интерес в этой области представляет исследование гетероструктур, содержащих тонкие слои (от моноатомного до нескольких атомных слоев) различных металлов, таких как титан, вольфрам, молибден и др. [I].

В настоящей работе приведены результаты теоретического исследования электронного энергетического строения (ЭЭС) гетероструктур кремний-титан-кремний с различной толщиной металлического слоя. Расчет ЭЭС проводился в кластерном приближении в рамках теории многократного рассеяния с использованием кристаллического muffin-tin (МТ) потенциала [2.3].

На рис.! приведены .модели рассматриваемых гетероструктур, в которых несколько (две (Г2), четыре (Г4) и шесть (Гб)) атомных плоскостей (111) кремния замещены атомами титана. По горизонтали отложено расстояние между плоскостями. При этом предполагается, что искажения кристаллической решетки как кремния, вызванная наличием плоскостей атомов титана, так и титана, вызванная наличием плоскостей атомов кремния, отсутствуют.

Ближайшие к границам раздела кремний-титан атомы кремния будем называть Si(l). Следующие за ними атомы кремния, ближайшие к атомной плоскости Si(l), будем называть Si(2) и т.д.: Si(3), Sj(4), Si{5) и Si(6). Влижайшие к атомной плоскости Si(l) атомы титана будем называть Ti(l), атомы титана, ближайшие к атомной плоскости Ti(l), - Ti(2), а атомы титана, наиболее удаленные от границ раздела кремний-титан, - Ti(3). Атомы кремния, отстоящие на расстоянии >1.176 нм от атомной плоскости Ti(l), будем называть Si(Û), т.е. будем предполагать, что эти атомы кремния по своим электрофизическим свойствам будут такими же, как и в бездефектном монокристалле кремния.

При построении кристаллического МТ-потенциала атомов Si(0)-Si(6) и Ti(ï)-Ti(3) учитывались вклады всех атомов-соседей вплоть до 15-й координационной сферы. При этом в качестве элементарной ячейки была взята ячейка, состоящая из 192, 216 и 240 атомов, соответственно для Г2 Г4 и Гб. Размер элементарной ячейки выбирался таким образом, чтобы в неё входили все типы атомов кремния и титана по обе стороны от металлического слоя.

Вследствие того, что при расчете плотности электронных состояний (ПЭС) используется кристаллический МТ-потенциал, а также предполагается, что атомы титана расположены 8 тех же кристаллографических позициях, что и атомы кремния, потенциальные энергии подрешеток ф>к, которые зависят только от кристаллографического положения атомов и определяющие электростатический потенциал Маделунга, брались такими же, как для бездефектного кремния.

Для определения ПЭС кремния и титана в исследуемой гетероструктуре рассматривались кластеры, состоящие из 87 атомов [4], с центрами на всех типах

(Модель гетероструктуры Г2

1! 1!

т

* • ★ 1 + ж Т |

1 ) + + • ! 1 |» п 1 ж 1

1 ! ::| т . 1 А ф I | т! г ч ■ ж.

П

)х

14-! I

11

1

6 (81(1 I 1)), нм

Модель гетероструктуры Г4

—Г

т

I !

*

+

■! X

¥

+

I!

I т

т ¡1* ф

Г: +

! I

I

6 (Э¡( 1 11)), нм

Модель гетероструктуры Гб

+ ★ ■ ♦ • А V

|т

>г.

¡+ |, |

:ж !

I

Ж

1 2 с! ($¡(1 11)), нм

- атомы ТЦ1); " «+- - атомы ЭКЗ)

- атомы Т¡(2); - - атомы 81(4)

- атомы Т!(3); - -X- - атомы 81(5)

- ато м ы 81(1); ' 'Т' — - атомы 81(6)

- атомы 81(2); " _/ - атомы Б 1(0)

Рис. 1

атомов элементарной ячейки. Результаты расчетов ПЭС различных типов атомов в гетероструктуре Г2 приведены на рис.2 - 5. Запрещенной энергетической зоной будем считать полосу энергий, соответствующую низкой плотности состояний от 3.8 зВ до 5.0 эВ. что согласуется с известными экспериментальными данными [5].

Из рис.2 ~ 4 видно, что в области запрещенной зоны атомов 51(1), 51(2) и 51(3) появились дополнительные электронные состояния, которые могут привести к существенному увеличению электропроводности этих слоев, т.е. к их ‘'металлизации”,

ПЭС для атомов типа 55(4), отстоящих от плоскости титана на 0.627 нм, в сравнении с ПЭС атомов типа 51(0) приведены на рис. 5. Видно, что форма ПЭС атомов 51(4) практически совпадает с ПЭС атомов 51(0), следовательно, электрофизические свойства атомов кремния этих слоев будут практически одинаковы. ПЭС атомов 51(5) полностью совпадает с ПЭС атомов типа 51(0) (рис.6). Аналогичная картина наблюдается и для атомов типа 5)(6). На рис, 7 приведены локальные парциальные плотности р~ и я- состояний 51(1), а на рис. 8 - парциальные плотности р- и <3- состояний Т1(1). Сравнение рис. 7 и 8 указывает на совпадение максимумов плотностей р- и э- состояний 51(1} с максимумами для р- и состояний титана, что, в свою очередь, свидетельствует о возникновении направленных химических связей 51(1)-Л(1). Существенное изменение, по сравнению с кристаллическим титаном, претерпевает и электронная структура атомов Тг( 1). В частности. в области зоны проводимости Т1(1) возникают дополнительные энергетические состояния, природа которых, возможно, связана с особенностями расположения атомов Т1(1) в данной гетероструктуре. На рис. 9 показаны аппроксимированные гладкой кривой изменения скачка потенциала с!\' на МТ-гранииах, возникающие на атомах различных типов в гетероструктуре.

Анализ приведенной зависимости позволяет предположить, что распределение потенциала в такой гетероструктуре имеет достаточно сложный вид. Атомы Т1(1), скорее всего, образуют потенциальную яму высотой =0.95 эВ относительно потенциала 51(0). По краям этой ямы (из-за атомов 51(1) - 51(3)| возникает тонкий (-0.52 нм) переходный слой с повышенным значением потенциала (-0.1 7 эВ). При этом атомы кремния, расположенные в пределах этого переходного слоя, могут обладать металлическим типом проводимости.

Результаты расчетов ПЭС различных типов атомов кремния в гетероструктурах Г4 и Гб показали, что в этих структурах, как и в Г2, первые три. близлежащие к плоскости титана, слоя атомов кремния также “металлизированы". Атомы типа 51(4) - 51(6) по своим электрофизическим свойствам идентичны атомам типа 51(0). Кроме того, в этих гетероструктурах, аналогично с Г2, претерпевают изменения и ЭЭС атомов Т1(1)-ГП(3).

Скачки потенциала на МТ-границах в этих гетероструктурах, в отличие от Г2, имеют более сложный вид (рис. 10, 11 соответственно для Г4 и Гб). Близлежащие к атомам 51(1) атомы титана в Г2 и Г4, скорее всего, образуют потенциальную яму высотой «0.78 эВ относительно потенциала 51(0). По краям потенциальной ямы (из-за атомов 51(1) - 51(3)) в Г2 и Г4 возникает тонкий переходный слой с повышенным значением потенциала «0.32 эВ. При этом атомы кремния, расположенные в пределах этого переходного слоя, также обладают “металлическим'’ типом проводимости. Атомы титана ТЦЗ) и Т1(2) внутри потенциальной ямы. относительно атомов типа Т1(1), образуют потенциальный барьер высотой =0.15 и М). 32 эВ соответственно для Г4 и Гб.

7 :— 6 Г 5 - '

Р '•

Г .

4 3 2 I

• в-'-р БКО) ■ э+р $¡(1)

±

:£ ’ .

- э+р ЭДО) ±_ • -5+р8.(2) | |{ .

± й

- 5+р 81(0) -5+р 51(3) 3

О 2

4 6

Рис 2

4 6 8 0 2 4 6

РИС 3 Рис 4

1

41:

—,--------,------------^——

-з+рБКО) ^ ,

- 5+р 31(4) Т* Ц

1 1-./1 Ч- / • !

Ф ! !

- 5!+Р $¡(0) ‘ ,

■ в+р $¡(5)

вК1)

и

Е

р

- э -Р

I \ /н-/ ^

Г г

с

О —1------!—

X

X

4 6

Рц.С 5

4 6

Р«С.6

8 О Е. эВ

2 4 6 8 10

Рнс. 7

12 14

Е. эВ

30 _-----Г----

25 “

20 -15

4

г

5 ?

I

О I I 1.

Т«(1)

-Р

-6

Скачки потенциала на границах МТ-сфер в Г2

(-

> I * *

-6 4 --

-6.8

Г

с.

-7.2

-7.6

О 2 4 6 8 10 12 14

8

1

с! ($¡(111)), нм

Рис.9

>

тз

-6.2 ; 1 ! i

Г" ★

-6.4 “

Е ▲

-6.6

3- •■£ • - +

-6.8 L

F г

-7.0 L

-7.2 —

— »

¡_

-7.4 : •

-1 0

d (Si(l 11»,

Pu С. . 10

-6.2 --г—г ■

★

А

+

. -6.4 -> =

73 -6.6 —

-6.8 _:-

-7.0

-7.2 ^ -2

■ ■

-7.4 -

• •

_7_6 fc_i_I_i_i_i_i__I_i_i__i_i_I__i_i_i_i__L~

-10 12

d (Si(l 11)),

Pue. 11

Результаты расчетов могут быть использованы для построения зонных диаграмм данных гетероструктур; квантово-механического описания процессов переноса носителей заряда через такие структуры; создания физических основ функционирования приборов на основе наноструктур, содержащих тонкие металлические слои, а также выбора оптимальной толщины слоя металла в гетероструктуре.

ЛИТЕРАТУРА

1. Колешко В.М., Белицкий В.Ф. Транзисторы с металлической и сверхпроводни-ковой базой // Зарубежная электронная техника. 1989. № 6. С. 3-38.

2. Колпачев А. Б., Захаров А.Г., Арзуманян Г.В. Расчет плотностей электронных состояний в гетероструктуре кремний-вольфрам-кремний // Известия высших

учебных заведений. Сер. Электроника. 1996. № 1-2. С. 90-93.

3. Захаров А. Г., Колпачев А. Б., Молчанов Ю. ИИестюрина E. Е. Глубокие энергетические уровни в кремнии после электроискровой обработки вольфрамовым электродом. Элементная база микро- и наноэлектроиики: физика и технология // Сб. науч. тр. под ред. Ю. Л. Чаплыгина. М.: МГИЭТ (ТУ), 1994. С. 73 - 83.

4. Захаров А.Г., Колпачев А.Б., Арзуманян Г.В. Особенности применения кластер-ного “muffin-tiif' приближения к расчету электронной структуры кремния //Новые информационные технологии. Информационное, программное и аппаратное обеспечение. Таганрог, ¡995. С. 134-135.

5. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. Пер. с англ. под ред. А.Ф. Трутко. М.: Энергия, 1973. 656 с.

Ф.Ф. Касимова. Н,Г. Джавядов, Н.М. Исмайлов

ВЛИЯНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ НА СВОЙСТВА ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА

Особое Конструкторское Бюро АНАКА, 370106, Баку, пр.Ашдлыг, 159, тел.: (8922) 621991

Потребность ряда отраслей промышленности в интегральных преобразователях механических величин [I] интенсифицировала исследование объемных свойств полупроводников и полупроводниковых приборов под влиянием механических напряжений [2, 3].

Известно, что давление в зависимости от площади воздействия вызывает либо уменьшение ширины запрещенной зоны, либо возникновение новых генера-ционно-рекомбинационных центров. Однако влияние таких напряжений на поверхностные свойства полупроводников изучено недостаточно.

Исследование влияния механических напряжений на поверхностные свойства кремния проводилось путем создания анизотропного давления на планарные n-р-п-транзисторы с управляющим затвором. С этой целью над переходом база -коллектор создавалась МОП-структура, к затвору которой с помощью стальной иглы диаметром 40 мкм прикладывалось локальное давление с нагрузкой до ЮОг, Результаты влияния механического напряжения на зависимость тока базы 1р от напряжения на затворе Uq при заданном значении UBK показано на рис Л. В этих измерениях изменения пикового значения тока отражают изменения поверхностной составляющей базового тока IBs-

В [4] показано, что ток поверхностной рекомбинации линейно зависит от собственной концентрации носителей tij и концентрации генерационно-рекомбинационных центров N(. Величина п, зависит от вызываемого давлением уменьшения ширины запрещенной зоны, a N, можно изменять введением обратимых центров рекомбинации в область поверхности раздела.

Анализ энергетической зонной структуры границы раздела Si-Si 02 под влиянием давления показал, что величина сдвига AU вольт-фарадной характеристики МОП-структуры по оси смещения определяется выражением

УДК 621.315.592

(1)