Диссертация (Неравновесные эффекты и нестационарный электронный транспорт в полупроводниковых наноструктурах с межчастичным взаимодействием), страница 8

Èíòåíñèâíîñòü íèçêî÷àñòîòíîãî øóìà çàâèñèò îò âåëè÷èíû âçàèìîäåéñòâèÿ êâàíòîâîé òî÷êè ñ êàæäûì èç áåðåãîâ òóííåëüíîãî êîíòàêòà èîò âçàèìíîãî ðàñïîëîæåíèÿ ðåçîíàíñíîãî óðîâíÿ ýíåðãèè êâàíòîâîé òî÷êèè õèìè÷åñêèõ ïîòåíöèàëîâ â áåðåãàõ êîíòàêòà.Âëèÿíèå àòîìíîé ãåîìåòðèè è ìåæàòîìíîãî ðàññòîÿíèÿ íà ñâîéñòâàíèçêî÷àñòîòíîãî øóìà â òî÷å÷íûõ àëþìèíèåâûõ êîíòàêòàõ èçó÷åíî ñ ïðèìåíåíèåì ïåðâîïðèíöèïíûõ ðàñ÷åòîâ [28]. Íà îñíîâå ðåçóëüòàòîâ, ïîëó÷åííûõ ïðè èññëåäîâàíèå íèçêî÷àñòîòíîãî øóìà ñ èñïîëüçîâàíèåì ìàòðèöûêîýôôèöèåíòîâ ïðîõîæäåíèÿ ÷åðåç áàðüåð, áûë ñäåëàí âûâîä î âîçìîæíîñòè èñïîëüçîâàíèÿ ñâîéñòâ íèçêî÷àñòîòíîãî øóìà äëÿ ïîëó÷åíèÿ èíôîðìàöèè î õèìè÷åñêèõ ñâîéñòâàõ ïîâåðõíîñòè [30, 31].Èññëåäîâàíèå íèçêî÷àñòîòíîãî øóìà íà íóëåâîé ÷àñòîòå ìåòîäîìôóíêöèîíàëà ïëîòíîñòè ïðîâåäåíî â ðàáîòå [29].

Ñâîéñòâà øóìà ïðîàíà-37ëèçèðîâàíû ïðè ïîìîùè êâàçè÷àñòè÷íîé âîëíîâîé ôóíêöèè, ïîëó÷åííîéñàìîñîãëàñîâàííûì îáðàçîì èç òåîðèè ôóíêöèîíàëà ïëîòíîñòè.  êà÷åñòâå ïðèìåðà ïðèìåíåíèÿ ïðåäëîæåííîãî ìåòîäà ðàññìîòðåíî âîçíèêíîâåíèå íèçêî÷àñòîòíîãî øóìà â íèòè èç àòîìîâ êðåìíèÿ, íàõîäÿùåéñÿ ìåæäóäâóìÿ ìåòàëëè÷åñêèìè ýëåêòðîäàìè. Ïðîäåìîíñòðèðîâàíà íåëèíåéíîñòüçàâèñèìîñòè àìïëèòóäû íèçêî÷àñòîòíîãî øóìà îò íàïðÿæåíèÿ.Òàêèì îáðàçîì, â áîëüøèíñòâå òåîðåòè÷åñêèõ ðàáîò, îïèñûâàþùèõ âòîé èëè èíîé ñòåïåíè ïðè÷èíû ôîðìèðîâàíè â òóííåëüíîì êîíòàêòå íèçêî÷àñòîòíîãî øóìà ñî ñïåêòðîì 1/f α , ðàññìîòðåíû êîíêðåòíûå ìàòåðèàëû èëè ñïåöèôè÷åñêèå ìîäåëüíûå ìåçîñêîïè÷åñêèå ñèñòåìû ñî ñïåöèàëüíûì îáðàçîì ïîäîáðàííîé ãåîìåòðèåé.

Îñîáåííîñòè ñïåêòðàëüíîé ïëîòíîñòè òóííåëüíîãî òîêà îáû÷íî èññëåäóåòñÿ íà íóëåâîé ÷àñòîòå èëè â óçêîìäèàïàçîíå íàïðÿæåíèé íà òóííåëüíîì êîíòàêòå, è òîëüêî â îòäåëüíûõ ðàáîòàõ äëÿ êîíêðåòíûõ ìàòåðèàëîâ ïðîâåäåí àíàëèç ñïåêòðàëüíîé ïëîòíîñòè òóííåëüíîãî òîêà â øèðîêîì äèàïàçîíå ÷àñòîò ïðè îòëè÷íûõ îò íóëÿçíà÷åíèÿõ íàïðÿæåíèÿ ñìåùåíèÿ íà òóííåëüíîì êîíòàêòå.Ÿ 1.2. Îñîáåííîñòè ëîêàëüíîé ïëîòíîñòè ñîñòîÿíèé â îêðåñòíîñòè ïðèìåñíûõ àòîìîâ è äåôåêòîâ ïîâåðõíîñòè íàñòîÿùåå âðåìÿ îäíèì èç íàèáîëåå ðàçâèâàþùèõñÿ íàó÷íûõ íàïðàâëåíèé ÿâëÿåòñÿ èññëåäîâàíèå ôèçè÷åñêèõ ïðîöåññîâ â ñòðóêòóðàõñâåðõìàëûõ ðàçìåðîâ ïðè íàëè÷èè ëîêàëèçîâàííûõ ñîñòîÿíèé, îáðàçîâàííûõ èíäèâèäóàëüíûìè ïðèìåñíûìè àòîìàìè è äåôåêòàìè, â òîì ÷èñëå ïðîöåññîâ, ïðîèñõîäÿùèõ íà ïîâåðõíîñòè ïîëóïðîâîäíèêîâ.

 ñâÿçè ñóìåíüøåíèåì ãåîìåòðè÷åñêèõ ðàçìåðîâ áàçîâûõ ýëåìåíòîâ, ïðèìåíÿåìûõâ ñîâðåìåííîé òâåðäîòåëüíîé íàíîýëåêòðîíèêå è ôóíêöèîíèðóþùèõ íàîñíîâå ýôôåêòîâ èçìåíåíèÿ ëîêàëüíîé ïëîòíîñòè ñîñòîÿíèé, ñóùåñòâóåòôóíäàìåíòàëüíàÿ ïðîáëåìà âëèÿíèÿ çàðÿäîâûõ ëîêàëèçîâàííûõ ñîñòîÿíèé, îáðàçîâàííûõ ïðèìåñíûìè àòîìàìè èëè äåôåêòàìè ðåøåòêè, íà êèíåòè÷åñêèå è ñòàòèñòè÷åñêèå ñâîéñòâà ñòðóêòóð ñâåðõìàëûõ ðàçìåðîâ. Ðàçìåðû ñîâðåìåííûõ ýëåêòðîííûõ ïðèáîðîâ íàñòîëüêî ìàëû, ÷òî îäèíî÷íûåïðèìåñíûå àòîìû íàïðÿìóþ âëèÿþò íà èõ ýëåêòðîííûå ñâîéñòâà [68]. Äàæå â ðàâíîâåñíîì ñëó÷àå ëîêàëèçîâàííûå ñîñòîÿíèÿ èçìåíÿþò èñõîäíûéñïåêòð è ïëîòíîñòü ñîñòîÿíèé ðàññìàòðèâàåìîé ñèñòåìû.

Ñ äðóãîé ñòîðîíû ñàìè ïðèìåñíûå àòîìû ìîæíî èñïîëüçîâàòü êàê ôóíêöèîíàëüíûå38ñîñòàâëÿþùèå äëÿ ñîâðåìåííûõ òâåðäîòåëüíûõ ýëåêòðîííûõ ïðèáîðîâ.Ïîíèìàíèå îñîáåííîñòåé ýëåêòðîííîãî òðàíñïîðòà ÷åðåç çàðÿäîâûåëîêàëèçîâàííûå ñîñòîÿíèÿ ïîçâîëèò ðåàëèçîâàòü óñòðîéñòâà äëÿ ïåðåäà÷è,õðàíåíèÿ è êîäèðîâàíèÿ èíôîðìàöèè íà áàçå îòäåëüíûõ ïðèìåñíûõ àòîìîâ[6971]. Âàæíûì ýòàïîì íà ïóòè ðåàëèçàöèè ýòîé çàäà÷è ÿâëÿåòñÿ ñîçäàíèå íàíîñòðóêòóð ñ çàòâîðàìè íà áàçå îäèíè÷íûõ ïðèìåñíûõ àòîìîâ, äëÿêîòîðûõ ìîæíî ìîäèôèöèðîâàòü ýíåðãåòè÷åñêèé ñïåêòð çà ñ÷åò âçàèìîäåéñòâèÿ ñ ñîñòîÿíèÿìè íåïðåðûâíîãî ñïåêòðà îêðóæåíèÿ èëè èçìåíåíèÿïîëîæåíèÿ ïðèìåñè â ïîëóïðîâîäíèêîâîé ìàòðèöå.Ìîæíî ñôîðìóëèðîâàòü ñëåäóþùèå îñíîâíûå ïðîáëåìû, êîòîðûå íåïîçâîëÿþò â íàñòîÿùåå âðåìÿ ñîçäàâàòü ýëåêòðîííûå ïðèáîðû (íàíîòðàíçèñòîðû) íà îñíîâå åäèíè÷íûõ ïðèìåñíûõ àòîìîâ: 1.

Íåêîíòðîëèðóåìîåèçìåíåíèå ýëåêòðîííîé ïëîòíîñòè ñòîêà è èñòîêà ïðè èçìåíåíèè íàïðÿæåíèÿ íà çàòâîðå. 2. Ôîðìèðîâàíèå çàäàííîé êîíôèãóðàöèè íà îñíîâåôèêñèðîâàííîãî ÷èñëà ïðèìåñíûõ àòîìîâ. 3. Êîíòðîëü íàä ïîëîæåíèåìèìïëàíòèðîâàííûõ ïðèìåñíûõ àòîìîâ. 4. Àäåêâàòíîå îïèñàíèå òóííåëüíûõ ïðîöåññîâ ìåæäó óðîâíÿìè ýíåðãèè ïðèìåñíûõ àòîìîâ è ñîñòîÿíèÿìèíåïðåðûâíîãî ñïåêòðà ðåçåðâóàðîâ [72].Îòâåò íà ïîñòàâëåííûå âîïðîñû ìîæåò áûòü íàéäåí ïðè ïîìîùè ñîâìåñòíûõ ýêñïåðèìåíòàëüíûõ è òåîðåòè÷åñêèõ èññëåäîâàíèé îñîáåííîñòåéëîêàëüíîé ïëîòíîñòè ñîñòîÿíèé â îêðåñòíîñòè ïðèìåñíûõ àòîìîâ è äåôåêòîâ â òóííåëüíûõ êîíòàêòàõ ñâåðõìàëûõ ðàçìåðîâ.Äëÿ ýêñïåðèìåíòàëüíûõ èññëåäîâàíèé âëèÿíèÿ ëîêàëèçîâàííûõ ñîñòîÿíèé, îáóñëîâëåííûõ ðàçëè÷íûìè ïðèìåñíûìè àòîìàìè, äåôåêòàìè ïîâåðõíîñòè èëè ìîëåêóëàìè àäñîðáàòà, íà îñîáåííîñòè ýëåêòðîííîãî òðàíñïîðòà â òâåðäîòåëüíûõ íàíîñòðóêòóðàõ íàèáîëåå ïîäõîäÿùèì ÿâëÿåòñÿ ìåòîä ÑÒÌ/ÑÒÑ [7377].

Ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèé ëîêàëüíîé ïëîòíîñòè ñîñòîÿíèé â îêðåñòíîñòè ïðèìåñíûõ àòîìîâ â íàíîñòðóêòóðàõ ïîäðîáíî ïðåäñòàâëåíû â ðàáîòàõ [7899]. ðàáîòàõ [7883, 85, 89, 90, 9294] ìåòîäîì ÑÒÌ/ÑÒÑ ïðîâåäåíû èññëåäîâàíèÿ ñâîéñòâ ëîêàëèçîâàííûõ ñîñòîÿíèé, îáðàçîâàííûõ ïðèìåñíûìè àòîìàìè íà ïîâåðõíîñòè ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ñîåäèíåíèé òèïà A3 B5 .Àâòîðû ïîêàçàëè, ÷òî ñòåïåíü ìîäèôèêàöèè ëîêàëüíîé ïëîòíîñòè ïîâåðõíîñòíûõ ñîñòîÿíèé îïðåäåëÿåòñÿ òèïîì ïðèìåñíûõ àòîìîâ, ãëóáèíîé çàëåãàíèÿ â ïîëóïðîâîäíèêîâîé ìàòðèöå è çàðÿäîâûì ñîñòîÿíèåì.  ðàáîòàõ[90,92] ïðîäåìîíñòðèðîâàíî ôîðìèðîâàíèå êðóãîâûõ îñöèëëÿöèé â ëîêàëü-39íîé ïëîòíîñòè ïîâåðõíîñòíûõ ñîñòîÿíèé â îêðåñòíîñòè ïðèìåñíûõ àòîìîâñåðû è òåëëóðà ïðè ïîëîæèòåëüíîì è îòðèöàòåëüíîì íàïðÿæåíèè íà òóííåëüíîì êîíòàêòå ñîîòâåòñòâåííî. Àâòîðû [90] ñâÿçûâàþò òàêîé âèä ïëîòíîñòè ñîñòîÿíèé ñ ïðîöåññàìè ðàññåÿíèÿ ýëåêòðîíîâ íà ïðèìåñíûõ àòîìàõ,íàõîäÿùèõñÿ â îáúåìå ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ìîíîêðèñòàëëîâ InAs.

 ðàáîòå[92] äëÿ îáúÿñíåíèÿ ïîëó÷åííûõ ðåçóëüòàòîâ ïðåäëîæåíà ìîäåëü òóííåëèðîâàíèÿ ýëåêòðîíîâ ÷åðåç çàðÿäîâîå ëîêàëèçîâàííîå ñîñòîÿíèå â îáëàñòèêîíòàêòà. Ïîÿâëåíèå çàðÿäà ñâÿçûâàåòñÿ ñ íåðàâíîâåñíûì ðàñïðåäåëåíèåìýëåêòðîíîâ â òóííåëüíîì êîíòàêòå èç-çà êîíå÷íûõ ñêîðîñòåé ðåëàêñàöèèýëåêòðîíîâ ïðè íèçêèõ òåìïåðàòóðàõ.Ôîðìèðîâàíèå õàðàêòåðíûõ îñîáåííîñòåé òðåóãîëüíîé ôîðìû âîêðåñòíîñòè ëîêàëèçîâàííûõ ñîñòîÿíèé, îáðàçîâàííûõ ïðèìåñíûìè àòîìàìè öèíêà íà ïîâåðõíîñòè àðñåíèäà ãàëèÿ ïðè íèçêèõ òåìïåðàòóðàõ, îáíàðóæåíî â ðàáîòå [93]. Àâòîðû ñ÷èòàþò, ÷òî òðåóãîëüíàÿ ôîðìà îñîáåííîñòåé, ñôîðìèðîâàííûõ ïðèìåñíûìè àòîìàìè, îáóñëîâëåíà ìîäèôèêàöèåéïëîòíîñòè ñîñòîÿíèé âáëèçè ïîòîëêà âàëåíòíîé çîíû.

Äåòàëüíûå ñïåêòðîñêîïè÷åñêèå èññëåäîâàíèÿ ïîêàçàëè, ÷òî ôîðìà îñîáåííîñòåé â ïëîòíîñòèñîñòîÿíèé çàâèñèò íå òîëüêî îò ãëóáèíû çàëåãàíèÿ ïðèìåñè, íî è îò ðàññòîÿíèé âäîëü ïîâåðõíîñòè ìåæäó çîíäîì ÑÒÌ è ëîêàëèçîâàííûì ñîñòîÿíèåì.Áîëüøîå âíèìàíèå ïðèâëåêëè ýêñïåðèìåíòàëüíûå èññëåäîâàíèÿ âëèÿíèÿ íóëüìåðíûõ [86, 88] è îäíîìåðíûõ [87, 100] ïîâåðõíîñòíûõ ñòðóêòóð íà ëîêàëüíóþ ïëîòíîñòü ïîâåðõíîñòíûõ ñîñòîÿíèé.

 ðàáîòå [86]ñ ïîìîùüþ íèçêîòåìïåðàòóðíîé ñêàíèðóþùåé òóííåëüíîé ìèêðîñêîïèè/ñïåêòðîñêîïèè èçó÷åíà ëîêàëüíàÿ ïëîòíîñòü ñîñòîÿíèé â íóëüìåðíîéïîëóïðîâîäíèêîâîé ñòðóêòóðå (òðåóãîëüíûå äåôåêòû, îáðàçîâàííûå êðèñòàëëàìè àðñåíèäà èíäèÿ íà ïîâåðõíîñòè ïëåíêè InAs, âûðàùåííîé íàïîäëîæêå GaAs (111) ìåòîäîì ìîëåêóëÿðíî-ëó÷åâîé ýïèòàêñèè). Àâòîðûîáíàðóæèëè îñöèëëèðóþùóþ êðóãîâóþ ñòðóêòóðó ëîêàëüíîé ïëîòíîñòèýëåêòðîííûõ ñîñòîÿíèé â îêðåñòíîñòè íóëüìåðíûõ äåôåêòîâ. Ëîêàëüíàÿïëîòíîñòü ñîñòîÿíèé âíóòðè òðåóãîëüíûõ îñîáåííîñòåé ïðèíèìàåò òîðîèäàëüíûé âèä è äëÿ òóííåëèðóþùèõ ýëåêòðîíîâ ñ ýíåðãèÿìè, ïðèíàäëåæàùèìè èíòåðâàëàì, ñîîòâåòñòâóþùèì ðàçíîñòè ýíåðãèé ñîñåäíèõ óðîâíåé,ïðåâîñõîäèò ïî àìïëèòóäå ëîêàëüíóþ ïëîòíîñòü íà ïîâåðõíîñòè âáëèçèíóëüìåðíûõ ñòðóêòóð.Îñîáåííîñòè ïðîñòðàíñòâåííîãî ðàñïðåäåëåíèÿ ëîêàëüíîé ïëîòíîñòè40ñîñòîÿíèé â îêðåñòíîñòè èçîëèðîâàííûõ è äâîéíûõ êâàíòîâûõ ÿì íà ïîâåðõíîñòè ñêîëà ãåòåðîñòðóêòóðû InAs/GaSb âäîëü ïëîñêîñòè (110) èññëåäîâàíû ïðè ïîìîùè íèçêîòåìïåðàòóðíîãî ñêàíèðóþùåãî òóííåëüíîãîìèêðîñêîïà â ðàáîòå [88].

Ïðè çíà÷åíèÿõ íàïðÿæåíèÿ ñìåùåíèÿ, ñîîòâåòñòâóþùèõ çîíå ïðîâîäèìîñòè InAs, â ëîêàëüíîé ïëîòíîñòè ñîñòîÿíèéäëÿ îäèíî÷íîé êâàíòîâîé ÿìû îáíàðóæåíû ïåðèîäè÷åñêèå îñöèëëÿöèè âíàïðàâëåíèè ðîñòà ãåòåðîñòðóêòóðû. Ïåðèîä îñöèëëÿöèé îáðàòíî ïðîïîðöèîíàëåí âåëè÷èíå íàïðÿæåíèÿ íà òóííåëüíîì êîíòàêòå. ðàáîòå [87] èçó÷åíû îäíîìåðíûå ýëåêòðîííûå ñèñòåìû, îáðàçîâàííûå âáëèçè àòîìàðíûõ ñòóïåíåé íà ïîâåðõíîñòè InAs (110) è ñîäåðæàùèå îäíó èëè äâå çàïîëíåííûå ïîäçîíû. Ìåòîäîì íèçêîòåìïåðàòóðíîé ÑÒÌ/ÑÒÑ áûëè îïðåäåëåíû ýíåðãèè ïîäçîí è èññëåäîâàíà ëîêàëüíàÿïëîòíîñòü ñîñòîÿíèé îäíîìåðíûõ ýëåêòðîííûõ ñòðóêòóð. Äëÿ àíàëèçà ýêñïåðèìåíòàëüíûõ ðåçóëüòàòîâ ïðîâåäåíû òåîðåòè÷åñêèå ðàñ÷åòû, îñíîâàííûå íà îäíî÷àñòè÷íîé ìîäåëè, êîòîðûå ïîêàçàëè, ÷òî èçìåíåíèå ëîêàëüíîéïëîòíîñòè ñîñòîÿíèé âûçâàíî ýëåêòðîí-ýëåêòðîííûì âçàèìîäåéñòâèåì.Àâòîðû [100] ïðîäåìîíñòðèðîâàëè ôîðìèðîâàíèå ñòîÿ÷èõ âîëí ýëåêòðîííîé ïëîòíîñòè â êâàíòîâûõ ÿìàõ ðàçëè÷íîãî ðàçìåðà, îáðàçîâàííûõíà ïîâåðõíîñòè Si(001) − c(4 × 2) ïàðîé àëþìèíèåâûõ îäíîìåðíûõ êâàíòîâûõ íèòåé.

 ðàáîòå ïîêàçàíî, ÷òî íàëè÷èå íà ïîâåðõíîñòè èñêóñòâåííûõíèçêîðàçìåðíûõ ñòðóêòóð ïðèâîäèò ê çíà÷èòåëüíîìó èçìåíåíèþ ñïåêòðàïîâåðõíîñòíûõ ñîñòîÿíèé. Àâòîðàìè [101] ïðåäëîæåíî èñïîëüçîâàòü ïðîäîëüíîå îãðàíè÷åíèå ïëîòíîñòè ñîñòîÿíèé íà ïîâåðõíîñòè â êà÷åñòâå ìåõàíèçìà óìåíüøåíèÿ çàñåëåííîñòè óðîâíåé ýíåðãèè ïîâåðõíîñòíûõ ñîñòîÿíèé. ðàáîòàõ [102, 103] ýêñïåðèìåíòàëüíî èçó÷åíû ýôôåêòû òóííåëèðîâàíèÿ ÷åðåç êâàíòîâàííûå óðîâíè ýíåðãèè â íèçêîðàçìåðíûõ ñòðóêòóðàõïðè íàëè÷èè êóëîíîâñêîãî âçàèìîäåéñòâèÿ. Îáíàðóæåíî, ÷òî ïðè âûñîêèõíàïðÿæåíèÿõ â ëîêàëüíîé ïëîòíîñòè ñîñòîÿíèé ìîæíî íàáëþäàòü ïîÿâëåíèå äîïîëíèòåëüíûõ ïèêîâ, ñîîòâåòñòâóþùèõ âîçáóæäåííîìó ñïåêòðóêâàíòîâàííûõ óðîâíåé ñèñòåìû.

Ïðîäåìîíñòðèðîâàíî, ÷òî àìïëèòóäà îòäåëüíîãî ïèêà îïðåäåëÿåòñÿ âåëè÷èíîé ñâÿçè îäíî÷àñòè÷íîãî ñîñòîÿíèÿ ññîñòîÿíèÿìè íåïðåðûâíîãî ñïåêòðà â áåðåãàõ êîíòàêòà.Êðîìå èññëåäîâàíèé, ïîñâÿùåííûõ èçó÷åíèþ âëèÿíèÿ ëîêàëèçîâàííûõ ñîñòîÿíèé, ñôîðìèðîâàííûõ ïðèìåñíûìè àòîìàìè è êâàíòîâûìè òî÷êàìè, íà ëîêàëüíóþ ïëîòíîñòü ñîñòîÿíèé, áûëè ýêñïåðèìåíòàëüíî èçó÷å-41íû ýôôåêòû ìîäèôèêàöèè ëîêàëüíîé ïëîòíîñòè íà ïîâåðõíîñòè ïîëóïðîâîäíèêîâ êðåìíèÿ è ãåðìàíèÿ â ïðèñóòñòâèè ïîòåíöèàëà, îáóñëîâëåííîãîíàëè÷èåì îäíîìåðíûõ äåôåêòîâ - äîìåííûõ ñòåíîê [104106].