Спосіб визначення ефективних мас в тонких струмопровідних каналах транзисторних напівпровідникових структур

Спосіб визначення ефективних мас в тонких струмопровідних каналах транзисторних напівпровідникових структур, який включає одночасну дію на матеріал направлених взаємно перпендикулярно магнітного і електричного полів і наступне дослідження наслідків одночасного їх впливу на рух вільних носив заряду, який відрізняється тим, що постійне магнітне поле направляють перпендикулярно поверхні зразка, електричне поле є постійним і його прикладають між електричними контактами, приєднаними до струмопровідного каналу, планарна топологія яких призначена для вимірювань холівської рухливості, а дослідження провадять при температурі, що лежить в інтервалі від 4 до 10 К Винахід відноситься до галузі фізики поверхні напівпровідників, зокрема досліджень властивостей поверхневих і приповерхневих шарів напівпровідників і процесів переносу вільних носив заряду в таких шарах і може бути використаний в мікроелектроніці при створенні і оптимізацп характеристик елементів інтегральних схем, зокрема створення надшвидкодіючих транзисторів на основі кремнію і арсеніду галія Існують різновиди способу вимірювань ефективних мас вільних носив заряду, основою яких є явище циклотронного резонансу [1] На ДОСЛІДІ вимірюють частоту ш надвисокочастотної електромагнітної хвилі, за якої виникає резонанс між електричним полем хвилі, що нормально падає на досліджуваний зразок і періодичним рухом електронів в постійному магнітному полі з циклотронною частотою с = еВ/m*, де є - заряд о електрона, В - індукція магнітного поля, н е ефективна маса електрона Визначивши значення резонансної частоти с = сос при відомому значенні о В можна розрахувати ефективну масу т * Для того, щоб електрони могли здійснювати періодичний рух необхідні великі значення добутку циклотронної частоти сос на час релаксації х Фізично це означає, що рух електронів має відбуватися по циклотронним орбітам, лише зрідка спотвореними актами розсіяння Тому умова резонансу с = сос, виконується тільки в діапазоні о вкрай високих частот с > 1 - ЮОГГц і великих о значень індукції магнітного поля В = 1 - 10Тл, що викликає значні експериментальні труднощі Важливим недоліком різновидів цього способу вимірювань є необхідність проведення вимірювань в умовах наднизьких температур Т, набагато менших за температуру рідкого гелію 4,2К, що викликано необхідністю виключити залежність часу релаксації т від температури Т Найбільш близьким за своєю технічною сутністю і досягаемому технічному результату до заявляемого являється спосіб вимірювання ефективних мас, що включає одночасне накладання на зразок постійного магнітного поля і надвисокочастотного електромагнітного поля, причому постійне магнітне поле направлено паралельно поверхні зразка, а вектор електричної компоненти електромагнітного поля направлений перпендикулярно до вектора індукції постійного магнітного поля В [2] Змінюючи частоту надвисокочастотного поля с при ПОСТІЙНІЙ індукції о магнітного поля В, або величину індукції магнітного поля В за постійного значення частоти со фіксують точку резонансного поглинання електромагнітної енергії при с = сос і ВІДПОВІДНО о одержують ВИХІДНІ дані для обчислення т * Базовою умовою МОЖЛИВОСТІ спостереження резонансу є співвідношення І » гн » 5, де І о ю 50972 довжина вільного пробігу, гн - радіус циклотронної орбіти електрона, 5 - товщина скін-шару, на яку мікрохвильове поле проникає в зразок В цьому випадку рух електрона відбувається по спіралі вздовж поверхні, а електрон взаємодіє з електричною складовою мікрохвильового випромінювання тільки в моменти проходження його через скін-шар досліджуваної речовини Якщо електричне поле буде мати одну и ту саму фазу при кожному проході електрона через скін-шар, то електрон буде резонансно поглинати енергію поля Відомо, ЩО товщина скін-шару 5 змінюється в дуже широких межах в залежності від питомої провідності досліджуваного зразка а Тому практичне застосування наведеного способупрототипу обмежується вузькими рамками речовин, ДОСЛІДНІ зразки яких мають високу і однорідну по глибині питому провідність а, причому товщина зразка повинна в декілька раз перевищувати радіус циклотронної орбіти електрона гн Підсумовуючи, можна стверджувати, що комплекс експериментальних умов необхідних для реалізацій способів-аналопв вимагає використання складного наукового обладнання які важко реалізувати при дослідженні багатьох важливих для практичного застосування напівпровідників і неможливо використати для вимірювань на шаруватих мікроелектронних структурах, виготовлених на їх основі В основу винаходу поставлено задачу створення способу визначення ефективних мас в тонких струмопровідних каналах напівпровідникових структур шляхом застосування нової просторової орієнтації індукції постійного магнітного поля В, заміни надвисокочастотного електромагнітного поля постійним електричним полем ESC| і проведення досліджень при низькій температурі забезпечити можливість визначення ефективних мас т * в тонких струмопровідних каналах шаруватих транзисторних напівпровідникових структур і значно спростити реалізацію необхідних фізичних умов експериментальних досліджень Поставлена задача вирішується тим, що спосіб визначення ефективних мас в тонких струмопровідних каналах транзисторних напівпровідникових структур який включає дію на матеріал направлених взаємоперпендикулярно магнітного і електричного полів і наступне дослідження наслідків одночасного їх впливу на рух вільних носив заряду, ВІДПОВІДНО ДО винаходу, постійне магнітне поле з індукцією В направляють перпендикулярно поверхні зразка, електричне поле ESC| є постійним і його прикладають між електричними контактами приєднаними до струмопровідного каналу, планарна топологія яких призначена для вимірювань холівської рухливості, а дослідження провадять при температурі, що лежить в інтервалі від 4 -10К На кресленні наведена планарна конфігурація дослідних зразків і розподіл електричного потенціалу в них для конкретного способу реалізації вимірювань методом є р с Хола Жирними ЛІНІЯМИ позначені електричні контакти за номерами 1-5 до струмопровідного каналу Між контактами 1 і 4 прикладено електричне поле ESC| Контакти 2 і 3 слугують для вимірювання величини повздовжнього електричного поля, а контакти 2 і 5 Холівського поля В способі, що заявляється, сукупність суттєвих ознак робить можливим визначення ефективних мас в тонких струмопровідних каналах транзисторних напівпровідникових структур Електричні контакти 1-5 показані на кресленні дозволяють точно локалізувати місце прикладання електричного поля і тим самим досліджувати визначені струмопровідні канали в багатошарових напівпровідникових структурах Застосування топології контактів, що призначені для вимірювань Холівської рухливості дозволяє досліджувати одночасний вплив електричного і магнітного полів на рух вільних носив заряду при застосуванні постійного електричного поля замість електричної компоненти мікрохвильового поля і приблизно в 100-1000 разів зменшити величину індукції магнітного поля В, до значень, що необхідні для проведення Холівських вимірювань в слабких магнітних полях Разом це дозволяє значно спростити реалізацію необхідних фізичних умов експериментальних досліджень Проведення досліджень при температурі що лежить в інтервалі від 4-10К дозволяє виконати фізичні умови переносу вільних носіїв заряду, необхідні для реалізації заявляемого способу Перше, в тонкому струмопровідному каналі реалізується розмірне квантування руху газу вільних носив заряду, який обмежено в напрямі перпендикулярному поверхні Друге, в вказаному температурному інтервалі розсіяння вільних носив заряду відбувається майже виключно на заряджених центрах Проведення досліджень у вказаному температурному інтервалі дозволяє розрахувати величину ефективної маси т * вільних носив заряду на основі експериментальних залежностей рухливості ц, і концентрації Г від температури Т ПОСЛІДОВНІСТЬ проведення досліджень і необхідних розрахунків включає в себе Визначення холівської рухливості ц, і концентрації Г при температурі Т « 4-10К за відомими методиками струму або є р с Хола [3] Визначення густини заряджених центрів N, на яких відбувається розсіяння вільних носив заряду, виходячи з відомої густини поверхневого заряду Qs на межі поділу фаз струмопровідний канал шар діелектрика Величина N розраховується за формулою N = Qs/e В практично важливому випадку структури типу МДН-транзистора на кремнії з індукованим каналом, густина центрів N визначається виходячи з його порогової напруги vn товщини шару ізолятора d по формулі (І) де Sd діелектрична проникність діелектрика На основі відомих значень ju., Г і N можна визначити величину (т*) 2 і ВІДПОВІДНО т*, виходячи з формули одержаної в роботі [4] e2hT Ц *V(m*)2N 50972 лежить в інтервалі від 4-10К де s - діелектрична проникність зразка, h постійна Планка Аналіз, що базується на співставленні з прототипом, показує, що заявляемый спосіб визначення ефективних мас в тонкихструмопровідних каналах транзисторних напівпровідникових структур відрізняється тим, що індукція постійного магнітного поля В направлена перпендикулярно до поверхні зразка, електричне поле ESC| є постійним і його прикладають між електричними контактами приєднаними до струмопровідного каналу, планарна топологія яких призначена для вимірювань холівської рухливості, а дослідження провадять при температурі що Література 1 Н Ашкрофт, Н Мермин Физика твердого тела пер с англ А С Михайлова, под ред проф М И Каганова, М , Мир, 1979, т 1, С 278 2 МЯ Азбель, ЭА Капер, ЖЭТФ 32, 896,1956 З Е В Кучис Методы исследования эффекта Холла М Сов Радио, 1974, 328с 4 ЮС Жарких, С В Лысоченко Письма в ЖЭТФ 35, №5, 204-206, 1982 ФІГ. ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна (044)456-20 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71