تعیین چگالی بارهای سطحی میان گاه

در ساختارهای Si/SiGe/Si که بوسیله روش رونشانی پرتو مولکولی رشد می یابند به دلیل ناپیوستگی نوار ظرفیت یک چاه کوانتومی در نوار ظرفیت و در لایه SiGe شکل می­گیرد اگر لایه های مجاور با ناخالصی های نوع p آلاییده شده باشند حفره­های لایه آلاییده به داخل چاه کوانتومی می­روند و تشکیل گاز حفره­ای دو بعدی در میانگاه نزدیک لایه آلاییده می­دهند اینگونه ساختارها را ساختار دورآلاییده می نامند .به دلیل جدایی فضایی بین حاملهای آزاد دوبعدی و ناخالصی­های یونیده در ساختارهای دور آلاییده برهمکنش کولنی کاهش یافته و در نتیجه پراکندگی ناشی از ناخالصی­های یونیده کاهش و به تبع آن تحرک پذیری حامل های آزاد دوبعدی افزایش می یابد .چگالی سطحی گاز حفره ای دو بعدی به پارامترهای ساختار مثلاً ضخامت لایه جداگر ، چگالی سطحی بار های لایه پوششی ، ضخامت لایه پوششی ، و غیره وابسته است. علاوه بر این در ساختارهای دور آلاییده دریچه دار با تغییر ولتاِژ دریچه چگالی سطحی گاز حفره­ای قابل کنترل می باشد . این ساختارها در ساخت ترانزیستورهای اثر میدانی مورد استفاده قرار می­گیرند .

در این پایان نامه ابتدا به تشریح ساختار دور آلاییده  Si/SiGe/Si می پردازیم و سپس مدلی نظری که بتواند ویژگیهای الکتریکی گاز حفره­ای دوبعدی درون چاه کوانتومی ساختار p-Si/SiGe/Si  و همچنین میزان انتقال بار آزاد به درون چاه و بستگی آن به پارامترهای ساختار را توجیه کند ارائه می دهیم  .  در ساختار دور آلاییده معکوس p-Si/SiGe/Si دریچه دار با دریچه Al/Ti/Si از این مدل نظری استفاده می­کنیم و با برازش نتایج تجربی تغییرات چگالی سطحی گاز حفره­ای بر حسب ولتاژ دریچه توانسته­ایم چگالی سطحی بارهای میانگاه Ti/Si در این ساختارها را در محدوده (m^-2) 10¹⁵ × 78/1 تا (m^-2) 10¹⁵ × 63/4  ارزیابی کنیم  .

امروزه قطعات جدیدی در دست تهیه­اند که از لایه­های نازک متوالی نیمه رساناهای مختلف تشکیل می شوند . هر لایه دارای ضخامت مشخصی است که به دقت مورد کنترل قرار می گیرد و از مرتبه 10 نانومتر است . اینها ساختارهای ناهمگون نامیده می شوند . خواص الکترونی لایه های بسیار نازک را می توان با بررسی ساده­ای که برخی از اصول اساسی فیزیک کوانتومی را نشان می دهد به دست آورد [31] .

در این فصل ابتدا به بررسی خواص نیمه رسانا می پردازیم سپس با نیمه رساناهای سیلیکون و ژرمانیوم آشنا می شویم و بعد از آن انواع روشهای رشد رونشستی و ساختارهای ناهمگن را مورد بررسی قرار  می دهیم و همچنین ساختارهای دورآلاییده را بررسی می کنیم و در آخر نیز به بررسی کاربرد ساختارهای دور آلاییده و ترانزیستورهای اثر میدانی می پردازیم.

رشد بلور

از هنگام اختراع ترانزیستور دز سال 1948 پیشرفت قطعات حالت جامد نه تنها به توسعه مفاهیم قطعات الکترونیکی بلکه به بهبود مواد نیز وابسته بوده است . برای مثال واقعیت توانایی کنونی در ساخت مدارهای مجتمع حاصل پیشرفت­های علمی قابل ملاحظه در زمینه رشد سیلیسیوم تک بلور در آغاز و میانه دهه 1950 بوده است . شرایط رشد بلورهای نیمه رسانا که برای ساخت قطعات الکترونیک استفاده می­شود بسیار دقیق تر و مشکل­تر از شرایط سایر مواد است . علاوه بر اینکه نیمه­رساناها باید به صورت تک بلورهای بزرگ در دسترس باشند باید خلوص آنها نیز در محدوده بسیار ظریفی کنترل شود . مثلاً تراکم بیشتر ناخالصی­های مورد استفاده در بلورهای Si  فعلی از یک قسمت در ده میلیارد کمتر است . چنین درجاتی از خلوص مستلزم دقت بسیار در استفاده و بکارگیری مواد در هر مرحله از فرایند ساخت است .

رشد حجمی بلور

بلورهای حجمی نیمه­ رساناهای مرکب بوسیله دو روش متعارف تولید می-شود که هر دوی آنها نیز به فناوری رشد مذاب لقب گرفته­اند . در روش اول ماده اولیه و بلور شکل دهنده پایه در یک لوله شیشه ­ای کوارتز قرار داده شده و سپس همه آنها در داخل یک کوره گذاشته می­شوند . در روش دوم بلور پایه را به درون ماده مذابی که در داخل یک ظرف تحت فشار قرار دارد فرو برده و سپس همزمان با چرخاندن آن بتدریج به بیرون کشیده می­ شود . به این ترتیب شمش تک بلور زیر لایه رشد داده می­شود . در هر دو مورد به منظور مهار عناصر فرارتر و جلوگیری از تلف شدن آنها فرایند رشد در یک محیط پوشیده صورت می پذیرد .

انواع آلایش

همانطور که در قسمت 1-5 گفته شد تزریق عمدی و کنترل شده مقادیر و انواع معینی از اتم­های ناخالصی به بلور نیمه رسانای میزبان را آلایش می گویند . به کمک آلایش ویژگی­های الکتریکی نیمه­رسانا را تنظیم می­کنند . مقاومت ویژه ماده را می­توان تا چندین مرتبه بزرگی از عایق خوب تا رسانای خوب تغییر داد . به طور کلی آلایش بر غلظت بارهای متحرک در نیمه رسانا می افزاید . دو نوع آلایش وجود دارد که به صورت زیر است :

1. آلایش کپه­ای
2. آلایش مدوله شده ( دور آلاییدگی )

مقایسه اتصال فلز – نیمه رسانا با ساختار دور آلاییده دریچه­دار p-Si/SiGe/Si

در فصل دوم به بررسی ساختار اتصال فلز – نیمه رسانا پرداختیم و در مابقی فصول ساختار دور آلاییده دریچه در مورد مطالعه را بررسی کردیم . از مقایسه این دو ساختار به شباهت ها و تفاوت هایی برخوردیم که در زیر به آن ها می پردازیم . در ابتدا تفاوتها را بررسی می کنیم .

اول اینکه در این کار ساختارهای دور آلاییده دریچه دار را در دمای پایین در حد صفر کلوین بررسی کردیم و دیگر اینکه برخلاف سد شاتکی ( اتصال فلز – نیمه رسانا ) در این ساختارها دریچه فلزی روی یک نیمه رسانای خالص و بدون آلاییدگی رشد داده شده است در صورتیکه در اتصال فلز نیمه رسانا یک فلز به یک نیمه رسانای آلاییده متصل شده است .

شباهت ساختار مورد نظر ما با سد شاتکی در منحنی جریان نشتی برحسب ولتاژ دو ساختار است.  این منحنی در دو ساختار در دمای پایین تقریباً با هم مشابه هستند . همانطور که از شکل (5-1) مشخص می شود در دماهای پایین نزدیک صفر کلوین جریان نشتی بسیار کم است .

بررسی نمودارهای مربوط به چهار نمونه

در تمام ساختارها و نمونه هایی که در فصل چهارم مورد بررسی واقع شد ماکزیمم چگالی سطحی حامل­ها (گاز حفره های دوبعدی ) یا به عبارتی جریان نشتی دریچه کانال در V_g=-1.2 اتفاق می افتاد .این پدیده احتمالاً به این علت است که فاصله گاف نواری برای سیلیکان تقریباً در حدود 2/1 الکترون ولت است.

همانطور که از نمودار هایی که برای نمونه های بالا استنتاج می شود بارهای سطحی میانگاهی باید حتماً بارهایی مثبت و تابعی خطی با شیب منفی از ولتاژ دریچه باشند در غیر اینصورت اگر بار های میانگاهی منفی باشند باید در چاه کوانتومی ساختار دو گاز حفره­ای دوبعدی تشکیل شود و این به علت پهنای کم چاه کوانتومی (20 nm) از نظر تجربی غیر قابل حصول است .

به طور کلی با مطالعه نظری انتقال حامل بار در ساختارهای دورآلاییده Si/SiGe/Si  و با استفاده از حل خودسازگار معادلات پواسون و شرودینگر نتایج زیر بدست آمده است .

• الف- در ساختارهای دورآلاییده معکوس بی دریچه محاسبات نشان می دهد که :

1. با کاهش ضخامت لایه جداگر می توان چگالی سطحی حاملهای آزاد در کانال را افزایش داد .
2. با افزایش غلظت ناخالصی در لایه آلاییده می توان چگالی سطحی حاملهای آزاد را افزایش داد .
3. با کاهش بارهای لایه پوششی می توان چگالی سطحی حاملهای آزاد را افزایش داد .
4. با کاهش انرژی یونش ناخالصی می توان چگالی سطحی حاملهای آزاد را افزایش داد .
5. با افزایش ناپیوستگی نوار ظرفیت یا رسانش که مستقیما به درصد آلیاژ بستگی دارد می توان چگالی سطحی حاملهای آزاد را افزایش داد .

• ب- در ساختارهای دورآلاییده دریچه دار نتیجه می گیریم که :

1. رابطه چگالی سطحی گاز حفره­ای دو بعدی بر حسب ولتاژ دریچه خطی است و با کاهش ولتاژ دریچه ، چگالی سطحی گاز حفره­ای دوبعدی افزایش می یابد .
2. با کاهش بارهای سطحی یا میانگاهی می توان چگالی سطحی حفره ها را افزایش داد .
3. با افزایش فاصله بین دریچه فلزی و گاز حفره­ای دوبعدی آهنگ تغییرات چگالی سطحی حاملها بر حسب ولتاژ دریچه کاهش می یابد .

مقایسه برازش نتایج تجربی n_s بر حسب v_g برای چهار نمونه مورد مطالعه نشان می دهد که با افزایش ضخامت لایه پوششی از مقدار بارهای سطحی میانگاه Ti/Si کاسته می شود و این پژوهش نشان می دهد که چگالی سطحی بارهای میانگاه Ti/Si در بایاس صفر در ساختار تحت مطالعه در گستره (m^-2) 10¹⁵ × 78/1 تا (m^-2) 10¹⁵ × 63/4 متناظر با ضخامت لایه پوششی 488 و 188 نانومتر تغییر می کند .

• چکیده

فصل اول : ساختارهای دورآلاییده

• مقدمه – 2
  • نیمه رسانا – 3
  • نیمه رسانا با گذار مستقیم و غیر مستقیم – 4
  • جرم موثر – 4
  • نیمه رسانای ذاتی – 6
  • نیمه رسانای غیر ذاتی و آلایش – 7
  • نیمه رساناهای Si و Ge – 10
  • رشد بلور – 13
• 1-7-1 رشد حجمی بلور – 15
• 1-7-2 رشد رونشستی مواد – 15
• 1-7-3 رونشستی فاز مایع – 16
• 1-7-4 رونشستی فاز بخار – 18
• 1-7-5 رونشستی پرتو مولکولی – 19
  • ساختارهای ناهمگون – 20
  • توزیع حالت‌های انرژی الکترون‌ها در چاه کوانتومی – 21
  • انواع آلایش – 23
• 1-10-1 آلایش کپه­ای – 24
• 1-10-2 آلایش مدوله شده (دورآلاییدگی) – 24
• 1-10-3 گاز الکترونی دوبعدی – 25
• 1-10-4 گاز حفره­ای دوبعدی – 26
• 11 ویژگی و انواع ساختارهای دور آلاییده – 27
• 1-11-1 انواع ساختارهای دورآلاییده به­­لحاظ ترتیب رشد لایه­ها – 27
• 1-11-2 انواع ساختار دور آلاییده به لحاظ نوع آلاییدگی ( n یا p ) – 28
• 1-11-3 انواع ساختار دور آلاییده دریچه­دار – 29
  • کاربرد ساختارهای دور آلاییده – 33
• 1-12-1 JFET – 33
• 1-12-2 MESFET – 34
• 1-12-3 MESFET پیوندگاه ناهمگون – 35

فصل دوم : اتصال فلز نیمه رسانا (سد شاتکی)

• مقدمه – 39
• 2-1 شرط ایده آل و حالتهای سطحی – 41
• 2-2 لایه تهی – 44
• 2-3 اثر شاتکی – 47
• 2-4 مشخصه ارتفاع سد – 51
• 2-4-1 تعریف عمومی و کلی از ارتفاع سد – 51
• 2-4-2 اندازه گیری ارتفاع سد – 57
• 2-4-3 اندازه گیری جریان – ولتاژ – 57
• 2-4-4 اندازه گیری انرژی فعال سازی – 60
• 2-4-5 اندازه گیری ولتاژ- ظرفیت – 60
• 2-4-6 تنظیم ارتفاع سد – 62
• 2-4-7 کاهش سد – 62
• 2-4-8 افزایش سد – 63
• 2-5 اتصالات یکسوساز . – 64
• 2-6 سدهای شاتکی نمونه  – 64

فصل سوم : انتقال بار در ساختارهای دورآلاییده

• مقدمه – 67
• 3-1 ساختار دور آلاییده معکوس p-Si/Si1-XGeX/Si . – 68
• 3-2 ساختار نوار ظرفیت ساختار دور آلاییده معکوسp-Si/SiGe/Si – 69
• 3-3 محاسبه انتقال بار در ساختارهای دور آلاییده. – 71
• 3-3-1 آلایش مدوله شده ایده­آل – 71
• 3-3-2 محاسبات خود سازگار چگالی سطحی حاملها – 74
• 3-3-3 اثر بارهای سطحی بر چگالی گاز حفره­ای – 74
• 3-4 روشهای کنترل چگالی سطحی حاملها – 76
• 3-4-1 تاثیر تابش نور بر چگالی سطحی حاملها – 77
• 3-4-2 تاثیر ضخامت لایه پوششی بر چگالی سطحی حاملها – 78
• 3-4-3 دریچه دار کردن ساختار دور آلاییده – 79
• 3-5 ساختارهای دورآلاییده معکوس p-Si/SiGe/Si با دریچه بالا – 79
• 3-6 انتقال بار در ساختارهای دورآلاییده معکوس با دریچه بالا – 82
• 3-7 تاثیر بایاسهای مختلف بر روی چگالی سطحی ­حفره­ها – 83
• 3-8 ملاحظات تابع موج. – 86
• 3-9 وابستگی Zav به چگالی سطحی حاملها در ساختارهای بی دریچه – 87
• 3-10 وابستگی Zav به چگالی سطحی حاملها در ساختارهای دریچه­دار – 87

فصل چهارم : نتایج محاسبات

• مقدمه – 90
• 4-1 محاسبات نظری ساختارهای دورآلاییده بی دریچه Si/SiGe/Si – 91
• 4-1-1 محاسبات نظری ns برحسب Ls – 91
• 4-1-2 محاسبات نظری ns برحسب NA  – 96
• 4-1-3 محاسبات نظری ns برحسب nc – 99
• 4-1-4 محاسبات نظری کلیه انرژیهای دخیل برحسب Ls – 100
• 4-2 محاسبات نظری ساختارهای دورآلاییده دریچه­دار Si/SiGe/Si – 100
• 4-2-1 محاسبات نظری ns برحسب vg – 100
• 4-2-2 بررسی نمونه ها با nsur متغیر و تابعی خطی از vg با شیب مثبت – 107
• 4-2-3 بررسی نمونه ها با nsur متغیر و  تابعی خطی از vg با شیب منفی – 114

فصل پنجم : نتایج –  124

• 5-1مقایسه سد شاتکی با ساختار دورآلاییده دریچه دار p-Si/SiGe/Si – 125
• 5-2 بررسی نمودارهای مربوط به چهار نمونه – 125
• پیوست – 129
• چکیده انگلیسی (Abstract) – 139
• منابع – 141

منابع

1. Ashcroft , N. W. , Mermin , N. D, , Solid state physics. , (1976).
2. Ando , T. , J. Phys. Soc. Japan , Vol . 51 , . NO. 12 , PP. 3900 (1982).
3. Ando , T. , Fowler , A. B. , Stern , F. , Reviews . Modern physics , Vol. 54 ,
4. Bardeen , J., Phys. Rev . PP. 717(1947).
5. Bastard , G. , Surface science , 142, PP. 284(1984).
6. Coleridge , P.T., Williams , R.L., Feng , Y., Zawadzki, P. , Phys. Rev. , B56, PP.      12764(1997)
7. Emeleus , C. J. , Whall , T. E. , Smith , D. W. , Kubiak , R. A. , Parker , E. H.
8. C., Kearney , M. J. , J. Appl . phys. , 73(8), PP. 3852(1993).
9. Emeleus , C. J . , Sadeghzadeh , M. A. , Phillips , P. J. , Parker , E. H. C. ,
10.      Whall , T. E. , Pepper , M. Evans , A. G. R. , Appl. Phys. Lett. , 70(14) ,      PP.1870(1997).
11. Fang , F. F. , Howard , W. E. , Phys. Rev. Lett. , 16 , PP.797(1966).
12. Hamilton, A. R., Frost , J. E. F. , Smith , C. G., Kelly , M. J. , Linfield , E. h.,
13.  Ford, C. J. B., Ritchie, D. A. C. , Papper, M., Hasko , D. G., Ahmed , H. Appl. Phys. Lett. , 60(22), PP.2782(1992).
14. Hirakawa , D. C. , Sakaki , Yoshino , J. , Phys. Lett. , 45(3) , PP. 253(1984).
15. Houghton , D. C., Baribea, J. M. , Rowell , N. L. , J. Mat. Sci., Material in Elect. , 6, PP. 280(1995) .
16. HUANG , l. J., Lau , W. M., Vac, J., Sci.Technol. , A10 , PP. 812(1992).
17. Ismail , K. Arafa , M. , Stern , F. , Chu , J. O. , Meyerson , B. S. , Appl. Phys. Lett. , 66(7) , PP. 842(1995) .
18. Koing , U., Schaffler , F. , Electron. Lett. , 29 , PP. 486(1993) .
19.  Lee , M .L. , Fitzgerald , Bolsara , M. T. , Carrier , M. T. , J. ,Appl. Phys. , 97 ,  11101(2005)
20. Pearson , G. L. , Bardeen , J. , Phys .Rev. , Vol . 75, NO.5, PP.865(1949).
21. People , R. , Been , J. C. , Lang, D. V. , Sargent , A. M. , Stomer, H. L. ,
22. Wecht , K. W. , Lynch , R. T. , Baldwin , K. , Appl. Phys. Lett. , 45(11),  PP.1231(1984).
23. Sadeghzadeh , M. A.  Electrical Properties of Si/SiGe/Si Inverted
24.  Modulation Doped Stractures , Ph . D. Thesis , University of Warwick , (1998) .
25. Sadeghzadeh , M. A.  , Parry , C.P. , Phillips , P. J. , Parker , E. H. C. ,
26. Whall , T. E. , Appl. Phys. Lett. , 74(4) , PP. 579 (1999) .
27. Sadeghzadeh , M. A. , Appl. Phys. Lett. Vol. 76 , NO.3, PP. 348(2000).
28. Simmons, M. Y., Hamilton , A. R.,Stevens, S. J., Ritchie, D. A., Pepper , M. ,
29.  Kurobe , A., Appl.Phys.Lett., 70(20) , PP.2750(1997) .
30. Stern , F. , Sankar , D. S. , Phys . Rev. B, VOL. 30 NO. 2 , PP. 840(1984).
31. Sze , S. M. , Physics of semiconductors . , PP. 12(1996).
32. Sze , S. M. , Physics of semiconductor Devices . , PP. 245(1981) .
33. Verdenckt Vandebroec, S. , Crabbe, E. F. , Meyerson , B. S. , Harame, D. L.
34.  Restle, P. J. , Stork, J.M.C. , Jonson, J.B.,IEEE.ED41,PP.90(1994) .
35. Whall , T. E. , Thin Solid Films,294 ,PP. 160(1997).
36. استریتمن, بن جی , فیزیک الکترونیک , رویین تن لاهیجی , غلامحسن , صمدی , سعید , دانشگاه علم و صنعت ایران , تهران , 1376 .
37. ادیبی , اکبر , فیزیک الکترونیک و تکنولوژی نیمه هادیها , مرکز نشر دانشگاهی صنعتی امیر کبیر , تهران , 1375 .
38. بهاتاچاریا , پالاب , قطعات نیمه هادی الکترونیک نوری , محمد نژاد , شهرام , دانشگاه امام حسین(ع) , موسسه چاپ و انتشارات , تهران , 1381 .
39. روزنبرگ , فیزیک حالت جامد , عشقی , حسین , عزیزی , حسن , مرکز نشر  دانشگاهی , تهران, 1376.
40. زی , اس. ام . , فیزیک و تکنولوژی قطعات نیمرسانا , سدیر عابدی , غلامحسین , موسسه چاپ و انتشارات آستان قدس رضوی , مشهد , 1375 .
41. صادق زاده , محمد علی , انصاری پور , قاسم , مقاله نامه ششمین کنفرانس ماده  چگال , 1381 , ص 9 .
42. صادق زاده , محمد علی , انصاری پور , قاسم , کنفرانس فیزیک ایران , 1380 , ص 78 .
43. صادق زاده , محمد علی , کنفرانس فیزیک ایران , 1379 , ص 74 .
44. صادق زاده , محمد علی , فخارپور ,مهسا ,مقاله نامه دومین کنفرانس علوم و تکنولوژی سطح , 1385 ,ص 1 .
45. عمر , علی , فیزیک حالت جامد , نبیونی , غلامرضا , دانشگاه اراک , اراک , 1381 , جلد دوم .
46. کیتل , چارلز , آشنایی با فیزیک حالت جامد , پور قاضی , اعظم , صفا , مهدی , عمیقیان , جمشید , مرکز نشر دانشگاهی, تهران , 1373 .