CC BY
24
РАДИОФИЗИКА, ЭЛЕКТРОНИКА, АКУСТИКА
Электропроводность гетероструктур на основе линейно-цепочечного
углерода
А. Ф. Александров1, O.A. Стрелецкий1,а, В. В. Хвостов1,0, A.B. Фаустов2,
Н.Д. Новиков1, A.A. Зайцев2
1 Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, физический факультет, кафедра общей физики. Россия, 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 2.
2 Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики. Россия, 119454, Москва, просп. Вернадского, д. 78.
E-mail: а[email protected], b [email protected] Статья поступила 05.06.2012, подписана в печать 20.06.2012.
Приводятся результаты исследования проводимости гетероструктур на основе ДУ ЛЦУ типа А1-ЛЦУ-А1 и p-Si-Л1ДУ-AI. Продемонстрировано, что структура А1-ЛЦУ-А1 имеет нелинейный омический контакт с высотой потенциального барьера ~ 0.7 эВ. Показано, что в гетероструктуре p-Si-ЛЦУ-А! реализуется надбарьерный механизм инжекции электронов в ЛЦУ (по Шоттки) в прямом направлении и туннельный эффект (по моделаи Фаулера-Нордгейма) в обратном.
Ключевые слова: двумерно-упорядоченный линейно-цепочечный углерод, гетероструктуры, контактные явления, инжекционная проводимость.
УДК: 539.21:547.31. PACS: 73.50.-h.
Введение
Логика развития физики низкоразмерных систем ставит фундаментальные задачи поиска новых материалов и структур на их основе и детального изучения их электрофизических свойств с целью создания приборов нового поколения на новых принципах работы. Поэтому чрезвычайно актуальны исследования, направленные на создание альтернативных материалов и устройств на их основе, способных обеспечить дальнейший рост производительности и интеграции электронных приборов. В связи с этим особый интерес представляют низкоразмерные формы углерода, такие как фуллерены, нанотрубки, графен и т.п. Например, в работах [1-5] приведены примеры диодных и транзисторных структур на основе полупроводниковых нанотрубок. В этих работах применение нанотрубок основано на использовании высоких транспортных свойств электронов в направлении оси нанотрубки. Еще более необычные транспортные характеристики можно ожидать в одномерной атомной цепочке [6].
В настоящей статье приводятся результаты исследования гетероструктур на основе двумерно-упорядоченного линейно-цепочечного углерода (ДУ ЛЦУ) [7]. Структура ДУ ЛЦУ представляет собой параллельные цепочки атомов углерода с зр1 -гибридизацией валентных связей, образующих гексагональные плотно упакованные слои. Углеродные цепочки ориентированы нормально по отношению к подложке и поверхности пленки. Одномерный характер структуры ДУ ЛЦУ определяет высокую анизотропию электрической проводимости (вдоль и поперек цепочек). Электрическая проводимость вдоль цепочек на шесть порядков выше, чем в перпендикулярном направлении. По своим электрофизическим свойствам пленки ДУ ЛЦУ явля-
ются полупроводником с ширинои запрещенной зоны Её = 0.8-1.5 эВ [8]. Тонкие пленки ДУ ЛЦУ получают холодным методом импульсно-дугового ионно-стимули-рованного осаждения.
Целью настоящей работы было исследование возможности создания на основе пленок ДУ ЛЦУ нелинейных элементов электроники. Задачей исследования, результаты которого описаны в настоящей статье, являлось изучение вольт-амперных характеристик (ВАХ) следующих гетероструктур — металл-ЛЦУ-металл и полупроводник-ЛЦУ-металл.
1. Описание эксперимента
Осаждение углеродных пленок двумерно упорядоченного линейно-цепочечного углерода (ДУ ЛЦУ) производилось на модернизированной вакуумной установке УРМ 3.279.070 [7]. Измерения электропроводности структур проводились в автоматическом режиме на стенде, схематически изображенном на рис. 1. Использовалась 16-разрядная плата N1 РС1-6229 с дискретностью до 1 мВ. В работе стенда используется один
Рис. 1. Схематическое изображение измерительного стенда
аналоговый вход (измерение падения напряжения на сопротивлении нагрузки) и один аналоговый выход (генератор пилообразного напряжения). На сопротивление структуры (Ях) и эталонный резистор (Лу) подается напряжение V с цифроаналогового преобразователя (ЦАП). Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) измеряет падение напряжения на эталонном сопротивлении {Уу), что позволяет рассчитать ток в цепи / = Уу/Яу. Напряжение на структуре определяется по закону Кирхгофа как Ух = У — I Уу.
ным с надбарьерной эмиссией:
2. Полученные результаты
Контакт металл-полупроводник или диэлектрик может быть выпрямляющим, если при контакте возникает запирающий барьер между металлом и полупроводником и омическим, если нет барьера. Характеристики таких гетеропереходов определяются параметрами энергетических диаграмм как металла, так и полупроводника (диэлектрика). В связи с этим для установления механизма протекания тока через контакты металл-пленка ЛЦУ сначала были проведены исследования структуры А1-ЛЦУ-А1. Напыление пленок А1 и ЛЦУ проводилось без нарушения вакуумных условий, что исключало окисление поверхности А1. Толщина пленки ЛЦУ составляла 200 нм. На рис. 2 (слева) приведена вольт-амперная характеристика (ВАХ) структуры А1-ЛЦУ-А1 в прямом и обратном направлении. Как следует из симметричного вида ВАХ, контакт А1-ЛЦУ является омическим. Нелинейность ВАХ свидетельствует о наличии потенциального барьера на границе раздела металл-углерод. Так как работа выхода А1 (4.25 эВ) близка к положению уровня Ферми в середине запрещенной зоны беспримесного ЛЦУ [8], то при контакте перераспределения зарядов не происходит, и данный контакт является нейтральным. Тогда нелинейность ВАХ обусловлена величиной потенциального барьера, образованного уровнем Ферми А1 и дном зоны проводимости ЛЦУ с высотой, равной половине ширины запрещенной зоны ЛЦУ. В этом случае ток через структуру определяется механизмом Шоттки, связан-
/ = АТ2 ехр
е(р — е
кТ
где ф — высота барьера, а Е — напряженность электрического поля, приложенного к структуре, и ВАХ должна спрямляться в координатах 1п(/) ~ и1^2.
ВАХ в этих координатах представлена на рис. 2 справа. Верхняя кривая соответствует отрицательным напряжениям, а нижняя — положительным. Различие между кривыми связано с разной высотой барьера контактов. Аппроксимация прямых к и = 0 дает разницу в 0.02 эВ. Рассчитанная по известным параметрам (толщина пленки ЛЦУ, площадь контактов) и подгоночному параметру ф (высота барьера) ВАХ представлена на рис. 2 пунктиром. Прекрасное соответствие эксперименту достигается при высоте барьера 0.7 ± 0.02 эВ. Это значение соответствует ширине запрещенной зоны 1.4 эВ, что совпадает с результатами оптических измерений и теоретических расчетов.
Исследования гетероперехода р-БьЛЦУ-А! проводилось для пленки толщиной 20 нм. Полученная ВАХ представлена на рис. 3 сплошной линией. Как видно, ВАХ исследуемой структуры имеет ярко выраженный диодный вид. В прямом направлении (быстрый рост тока) порог открывания диода составляет примерно 0.5 В, в обратном направлении увеличение тока наблюдается при напряжении ~ 2 В. При прямом напряжении более 5 В ВАХ имеет линейный вид (по закону Ома) с наклоном, соответствующим сопротивлению 3000 Ом. Это означает, что эквивалентная схема контакта представляет собой последовательное включение контактов р-БьЛЦУ-А! и сопротивления пластины кремния. После вычитания сопротивления р-Э! была получена реальная ВАХ исследуемых контактов, показанная на рисунке точками. Полученная кривая имеет типичный для выпрямляющих контактов и переходов экспоненциальный вид ВАХ. В общем случае возможны три механизма переноса зарядов в диодных структурах: диффузионно-дрейфовый механизм (механизм Шокли), надбарьерная эмиссия или инжекция (эффект Шоттки)
1п(7)
-10
-12-
-14-
-16
и, В
0.5
1.0
1.5 иш, В1/2
Рис. 2. Вольт-амперная характеристика структуры А1-ЛЦУ-А1
/, А 0.0010
0.0005 0
-0.0005 -0.0010 Н
1 /
I у/
/У/Я = 3000 Ом
-6 -4 -2
0
6 С/, В
Рис. <3. Вольтамперная характеристика структуры р-51-углерод-А1
и туннелирование (механизм Фаулера-Нордгейма). Для определения механизма переноса заряда следует спрямить ВАХ в соответствующих координатах.
Рассмотрим каждый механизм в отдельности.
Механизм Шокли реализуется в полупроводниковых диодных структурах с высокой концентрацией электронов, проявляется в р-п-переходах при напряженности электрического поля внутри перехода < 103 В/см, и спрямляется в координатах (1п(/),£/).
Механизм надбарьерной термоэмиссии по Шоттки проявляется при характерных напряженностях поля ~ 105 В/см, и спрямляется в координатах (1п(/), II1/2).
Туннельный механизм Фаулера-Нордгейма (пробой Зинера) требует высокой напряженности электрического поля > 107 В/см, и спрямляется в координатах (1п(/Д/2),1Д/).
При толщине пленки ЛЦУ 20 нм характерные напряженности поля в структуре составляют 105- 107 В/см, поэтому первый механизм не реализует-
1п(У)
ся. Для определения механизма проводимости исследуемой структуры полученная ВАХ была построена в координатах Шоттки и Фаулера-Нордгейма и приведена на рис. 4 справа соответственно вверху и внизу. Как видно из рисунка, в прямом направлении ВАХ превосходно спрямляется в координатах Шоттки до напряжения 2 В. Выше 2 В ток растет быстрее, чем следует из уравнения Шоттки, что связано с дополнительным вкладом туннельного механизма при высоких полях. Проводимость в обратном направлении не спрямляется во всем диапазоне напряжений. Отрицательная часть ВАХ в координатах Фаулера-Нордгейма приведена на нижнем рисунке, на котором хорошо видно спрямление при напряжениях выше 4 В.
В правой части рисунка представлена энергетическая диаграмма, построенная по известным экспериментальным данным. Так как уровни Ферми ЛЦУ и А1 совпадают, на контакте ЛЦУ-А1 перераспределение зарядов не происходит и границы зон проводимости и валентной не искривляются. Уровни Ферми ЛЦУ и р-Э! до контакта отличаются примерно на 0.7 эВ, поэтому в кремнии вблизи контакта возникает объемный заряд, приводящий к искривлению уровней. Поскольку ширина запрещенной зоны ЛЦУ больше, чем у кремния, уровень дна зоны проводимости испытывает разрыв ~ 0.25 эВ. При этом в гетероструктуре между р-Э! и А1 возникает внутреннее электрическое поле (рис. 4, справа вверху).
В случае прямого смещения внешнее электрическое поле (и) направлено противоположно внутреннему, что уменьшает потенциальный барьер между А1 и ЛЦУ и увеличивает ток инжекции (рис. 4, справа в центре). В обратном направлении внешнее поле складывается с внутренним и рост тока не происходит. При больших
А1
р-81 ЛЦУ
Ес N
ЕV Ер
р-81
2.0 иШ, В1/2
ЛЦУ
еи
А1
1
р-81 ЛЦУ А1
Л
еи
-12.8
0.18 0.20 0.22 0.24 0.26 0.28 1/С/, 1/В
Рис. 4. Вольт-амперная характеристика структуры р-51-углерод-А1 справа в координатах Шоттки (вверху) и Фаулера-Нордгейма (внизу). Энергетическая диаграмма гетероструктуры (справа)
обратных напряжениях (более 4 В) происходит тунне-лирование электронов из валентной зоны р-51 в зону проводимости ЛЦУ и А1 (рис. 4, справа внизу).
Таким образом, из полученных результатов следует, что в прямом направлении ВАХ гетероперехода соответствует теоретической модели диода Шоттки, а в обратном направлении — туннелированию сквозь потенциальный барьер по модели Фаулера-Нордгейма.
Заключение
Проведены измерения ВАХ двух гетероструктур на основе ДУ ЛЦУ типа А1-ЛЦУ-А1 и р-51-ЛЦУ-А1. Для структуры А1-ЛЦУ-А1 показано, что контакт А1-ЛЦУ является омическим с нелинейной ВАХ и высотой потенциального барьера ~0.7 эВ.
Измерения ВАХ гетероструктуры р-51-ЛЦУ-А1 показали выпрямляющие свойства такой гетероструктуры. С помощью анализа ВАХ и энергетической диаграммы структуры объяснен механизм ее проводимости в прямом и обратном направлении: в прямом направлении реализуется надбарьерный механизм инжекции электронов в ЛЦУ (по Шоттки), в обратном — туннельный пробой.
Результаты исследования открывают перспективу создания на основе ультратонких пленок ЛЦУ диодные структуры толщиной до 20 нм.
Список литературы
1. Yang М.Н., Тео K.B.K., Milne W.I., Hasko D.G. 11 Appl. Phys. Lett. 2005. 87. 253116.
2. Manohara H.M., Wong E.W., Schlecht E. et al. // Nano Lett. 2005, 5, N 7. P. 1469.
3. Heinze S., Tersoff J., Martel R. et al. 11 Phys. Rev. Lett. 2002. 89, N 10. 106801.
4. Kalakodimi R.P., Nowak A.M., McCreery R.L. 11 Chem. Mater. 2005. 17. P. 4939.
5. Ngo Q., Petranovic D., Krishnan S. et al. 11 IEEE Trans. Nanotechnol. 2004. 3, N 2. P. 311.
6. Molina R.A., Weinmann D., Pichard J.-L. 11 Europhys. Lett. 2004. 67. P. 96.
7. Бабаев В.Г., Гусева М.Б., Савченко Н.Ф. и др. // Поверхность. 2004. № 3. С. 16.
8. Babaev V.G., Guseva М.В., Novikov N.D. et al. Carbon material with a highly ordered linear-chain structure 11 4532-Cataldo/Pageproofs/3d/4532-Cataldo-011.3d. 2005. P. 219.
Conductivity of structures on basis of linear-chain carbon
A.F. Aleksandrov1, O.A. Streletskiy1 0, V.V. Khvostov"', A.V. Faustov2, N.D. Novikov1, A.A. Zaitsev2
1 Department of General Physics, Faculty of Physics, M. V. Lomonosov Moscow State University, Moscow 119991, Russia.
2Moscow State Institute of Radio-Engineering, Electronics and Automation. Prospekt Vernadskogo 78, Moscow 119454, Russia.
E-mail: a [email protected], b [email protected].
In this article presents results of research of heterostructures on basis of two dimensional linear oriented chain carbon (2D LCC) A1-2D LCC-A1 and p-Si-2D LCC-A1 types. It was shown that structure A1-2D LCC-A1 has nonlinear ohmic contact with heightt of a potential barrier ~ 0.7 eV. It was shown that in heterostructure pSi-2D LCC-A1 is realised overbarrier gear of electron injection through 2D LCC (on Schottky) in a direct direction and tunnel effect (on Fowler-Nordgeim) in the return.
Keywords: two-dimensionally ordered linear-chain carbon, heterostructures, contact effect, injection conductivity. PACS: 73.50.-h. Received 5 June 2012.
English version: Moscow University Physics Bulletin 6(2012).
Сведения об авторах
1.Александров Андрей Федорович — докт. физ.-мат. наук, профессор; тел.: (495) 939-29-53.
2. Стрелецкий Олег Андреевич — мл. науч. сотрудник, тел.: (495) 939-29-53, e-mail: [email protected].
3. Хвостов Валерий Владимирович — канд. физ.-мат. наук, доцент; тел.: (495) 939-29-53, e-mail: [email protected].
4. Фаустов Артем Владимирович — аспирант; тел.: (495) 939-29-53.
5. Новиков Николай Дмитриевич — канд. физ.-мат. наук, ст. научю сотрудник; тел.: (495) 939-29-53, e-mail: [email protected].
6. Зайцев Александр Александрович — канд. физ.-мат. наук, доцент; тел.: (495) 939-29-53.
