ΕΘΝΙΚΟ ΚΑΙ ΚΑΠΟΔΙΣΤΡΙΑΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΤΟΜΕΑΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΣΤΕΡΕΑΣ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ Διδακτρική διατριβή της Αθηνάς Σαλωνίδυ «Νανκρυσταλλικό πυρίτι για εφαρμγές σε νανηλεκτρνικές διατάξεις μνήμης» Η Διατριβή εκπνήθηκε στ Ινστιτύτ Μικρηλεκτρνικής τυ ΕΚΕΦΕ Δημόκριτς υπό την καθδήγηση της Δρ. Α. Νασιπύλυ Τριμελής επιτρπή παρακλύθησης: -Γ. Παπαϊωάννυ Αναπλ. Καθηγητής, Παν. Αθηνών -Γ. Τριμπέρης, Αναπλ. Καθηγητής Παν. Αθηνών -Α. Νασιπύλυ, Διευθύντρια Ερευνών, ΕΚΕΦΕ «ΔΗΜΟΚΡΙΤΟΣ» ΑΘΗΝΑ 006
ΕΘΝΙΚΟ ΚΑΙ ΚΑΠΟΔΙΣΤΡΙΑΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΤΟΜΕΑΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΣΤΕΡΕΑΣ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ Διδακτρική διατριβή της Αθηνάς Σαλωνίδυ «Νανκρυσταλλικό πυρίτι για εφαρμγές σε νανηλεκτρνικές διατάξεις μνήμης» Η Διατριβή εκπνήθηκε στ Ινστιτύτ Μικρηλεκτρνικής τυ ΕΚΕΦΕ Δημόκριτς υπό την καθδήγηση της Δρ. Α. Νασιπύλυ Τριμελής επιτρπή παρακλύθησης: -Γ. Παπαϊωάννυ Αναπλ. Καθηγητής, Παν. Αθηνών -Γ. Τριμπέρης, Αναπλ. Καθηγητής Παν. Αθηνών -Α. Νασιπύλυ, Διευθύντρια Ερευνών, «ΕΚΕΦΕ ΔΗΜΟΚΡΙΤΟΣ» ΑΘΗΝΑ 006 ii
ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Ολκληρώνντας αυτή την πρσπάθεια θα ήθελα να ευχαριστήσω την τριμελή μυ επιτρπή πυ απτελείται από τυς κ. Παπαϊωάννυ, Αναπληρωτή Καθηγητή τυ Πανεπιστημίυ Αθηνών, κ. Γ. Τριμπέρη, Αναπληρωτή Καθηγητή τυ Πανεπιστημίυ Αθηνών και την κα Α. Νασιπύλυ, Διευθύντρια Ερευνών τυ ΕΚΕΦΕ «ΔΗΜΟΚΡΙΤΟΣ» για τη στήριξη πυ μυ παρείχαν καθ όλη την διάρκεια της εκπόνησης της διατριβής. Ιδιαίτερα θα ήθελα να ευχαριστήσω την επιβλέπυσα μυ στν Δημόκριτ κα Νασιπύλυ για την συνεργασία μας όλ τ διάστημα, την εμπιστσύνη και την κατανόηση πυ έδειξε για τυς πρσωπικύς μυ ρυθμύς εργασίας, την σωστή της καθδήγηση καθώς και τν τρόπ πυ με ενθάρρυνε και με ενεργπίησε στην πρσπάθεια μυ αυτή. Θερμά θα ήθελα να ευχαριστήσω τυς ερευνητές τυ Ινστιτύτυ, Δρ. Βασίλη Ιωάννυ-Συγλερίδη και Δρ. ascal Normand για την υσιαστική βήθειά τυς στην διεξαγωγή των ηλεκτρικών μετρήσεων. Οι πλύτιμες γνώσεις τυς και η πειραματική τυς εμπειρία απτέλεσε βασικό στήριγμα. Επίσης ευχαριστώ για την άριστη συνεργασία μας την υπεύθυνη τυ καθαρύ χώρυ κα Ε. Τσώη καθώς και τυς τεχνικύς κ.δ. Τσρμώκ, κα Μ. Λαγκυβάρδυ, κα Χ. Γεωργίυ, κ. Μ. Σέργη, κα Ε. Τκπασίδυ για την πρθυμία και την υπευθυνότητα των χειρισμών τυς κατά την παρασκευή των δειγμάτων. Δεν θα ξεχάσω επίσης για την συμπαράσταση και την βήθεια τυς, την κα Α. Ζώη, την κα Μ. Κκνύ, τν κ. Α. Ολζιέρσκυ, τν κ. Ν. Γιαννάκη και τν κ. Δ. Παγώνη, αξιόλγυς νέυς επιστήμνες με τυς πίυς μιράστηκα τ γραφεί μυ και αντάλλαξα πλλύς πρβληματισμύς, καθώς και τν Δρ. Κ. Γιαννακόπυλ για την συνεργασία μας στ θέμα των εικόνων μικρσκπίας ΤΕΜ. Τέλς, ευχαριστώ την κα Ζ. Μακρίδη, γραμματέα. τυ Ινστιτύτυ, για την φιλόξενη στάση της και τυς άψγυς χειρισμύς της κάθε φρά πυ χρειάστηκα την συνδρμή της. Ένα μεγάλ ευχαριστώ φείλω στην ικγένεια μυ για την υπμνή και την ανχή πυ έδειξαν για τ χρόν πυ τυς στέρησα. Χωρίς την διαρκή και θερμή υπστήριξη τυς αμφιβάλλω αν θα ήταν δυνατή η λκλήρωση αυτύ τυ διδακτρικύ γι αυτό λιπόν τυς τ αφιερώνω. iii
Στν Στέλι, στν Χρήστ, στν Νίκ iv
ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η έρευνα, στα πλαίσια της παρύσας διατριβής, αφρά τη μελέτη, κατασκευή και χαρακτηρισμό δισδιάστατων στρωμάτων νανκρυσταλλιτών πυριτίυ σε πλύ λεπτά στρώματα διξειδίυ τυ πυριτίυ για χρήση σε διατάξεις μη πτητικών μνημών. Οι σημερινές συμβατικές διατάξεις μη πτητικών μνημών απτελύνται από ένα στρώμα πλυκρυσταλλικύ πυριτίυ ανάμεσα στ διξείδι πυριτίυ της πύλης ενός n- MOSFET. Τ στρώμα αυτό χωρίζεται από τ υπόστρωμα πυριτίυ με διξείδι πυριτίυ πάχυς πάνω από ~5nm. Τ όρι αυτό στ πάχς τυ διηλεκτρικύ φείλεται στ ότι, αν τ διξείδι παρυσιάζει διαρρή σε ένα σημεί τυ ξειδίυ, όλ τ φρτί της μνήμης θα διαρρεύσει πρς τ υπόστρωμα. Αν, αντί για τ συνεχές στρώμα απθήκευσης φρτίυ, χρησιμπιηθεί ένα στρώμα νανκρυσταλλιτών, τ φρτί θα κατανέμεται σε κάθε ένα νανκρυσταλλίτη, ώστε, αν υπάρχει τπικά διαρρή στ ξείδι, μόν μέρς τυ φρτίυ θα χαθεί, και κατά συνέπεια στατιστικά η μνήμη θα συνεχίσει να λειτυργεί. Αυτό επιτρέπει σμίκρυνση τυ πάχυς τυ ξειδίυ, ώστε να ακλυθείται και στις μνήμες η τάση σμίκρυνσης των διαστάσεων πυ ακλυθείται σε λγικά κυκλώματα CMOS. Στα πλαίσια της παρύσας διατριβής κατασκευάσαμε δισδιάστατ στρώμα νανκρυσταλλιτών πυριτίυ ενσωματωμέν μέσα σε πλύ λεπτά στρώματα διξειδίυ τυ πυριτίυ ακλυθώντας μια διαδικασία πυ χωρίζεται σε τρία στάδια: 1) με θερμική ξείδωση αναπτύχθηκε λεπτό ξείδι πυριτίυ (tunneling ) πάνω σε υπόστρωμα πυριτίυ ) με διαδικασία χημικής εναπόθεσης ατμών σε χαμηλή πίεση (LCVD) έγινε εναπόθεση λεπτύ υμενίυ άμρφυ πυριτίυ 3) μέσα σε φύρν υψηλής θερμκρασίας παρυσία αζώτυ έγινε κρυστάλλωση στερεής φάσης τυ άμρφυ πυριτίυ και στην συνέχεια θερμική ξείδωση στν ίδι φύρν. Ακλύθησε χαρακτηρισμός της δμής με Μικρσκπία ΤΕΜ όπυ πρσδιρίστηκαν τα πάχη των στρωμάτων καθώς και τ μέγεθς των νανκρυσταλλιτών. Παράλληλα έγινε ηλεκτρικός χαρακτηρισμός των δμών με μετρήσεις χωρητικότητας τάσης και ρεύματς-τάσης για να διερευνηθύν ι δυνατότητες φόρτισης τυ νανκρυσταλλικύ στρώματς. Πρσπαθώντας να αυξήσυμε την πυκνότητα των νανκρυσταλλιτών έγινε εμβάπτιση τυ ξειδωμένυ δισκιδίυ πριν την εναπόθεση άμρφυ πυριτίυ μέσα σε αραιό διάλυμα HF, γεγνός πυ είχε άμεση επίπτωση στην απθήκευση φρτίυ στην δμή. Παράλληλα κατασκευάσαμε και συνθετότερες δμές με διπλό στρώμα νανκρυσταλλιτών για βελτίωση τυ χρόνυ διατήρησης τυ απθηκευμένυ φρτίυ. Τέλς κατασκευάστηκαν στ εργαστήρι μνήμες νανκρυσταλλιτών πυριτίυ τύπυ n-mosfet βασισμένες στην παραπάνω διαδικασία δημιυργίας στρώματς νανκρυσταλλιτών ενσωματωμένων μέσα στ SiOBB σε απόσταση «σήραγγας» (3.5nm) από τ υπόστρωμα πυριτίυ και έγινε διεξδική μελέτη των ιδιτήτων τυς. Οι μνήμες αυτές παρυσίασαν παράθυρ μνήμης της τάξης των 0.5V κατόπιν πλήρυς φόρτισης και εκφόρτισης τυς με παλμύς πλάτυς 7V και -8V αντίστιχα διάρκειας 100 ms. Τα χαρακτηριστικά αυτά εξασφαλίζυν ικανπιητική λειτυργία για εφαρμγή σε μνήμες. Η πρτεινόμενη διαδικασία είναι μια απλή και αξιόπιστη διαδικασία για την κατασκευή μνημών νανκρυσταλλιτών πυριτίυ. v
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ.1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΚΒΑΝΤΙΚΩΝ ΤΕΛΕΙΩΝ ΗΜΙΑΓΩΓΟΥ.3 1.1 Η περίπτωση τυ εκτεταμένυ τρισδιάστατυ ημιαγωγύ...4 1. Χαμηλδιάστατα Συστήματα (Low dimensional systems)...5 1..1 Πυκνότητα ενεργειακών καταστάσεων..5 1.. Κβαντικές τελείες...7 1..3 Φαινόμεν σήραγγας..8 1..4 Φαινόμενα ενός ηλεκτρνίυ (single electron).11 1..5 Φραγή Coulomb (Coulomb Blockade).1 1.3 Συμπεράσματα. 13 ΚΕΦΑΛΑΙΟ : ΜΝΗΜΕΣ ΝΑΝΟΚΡΥΣΤΑΛΛΙΤΩΝ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ..15.1 Μη πτητικές μνήμες αιωρύμενης πύλης πλυκρυσταλλικύ πυριτίυ (Floating gate τρανζίστρ) 17. Μνήμη νανκρυσταλλιτών πυριτίυ.0..1 Βασικά χαρακτηριστικά πυ επηρεάζυν τη λειτυργία της διάταξης μνήμης νανκρυσταλλιτών και τις επιδόσεις της.. α) Τ μέγεθς τυ νανκρυσταλλίτη (κβαντική τελεία απθήκευσης φρτίυ). 3 β) Τ πάχς τυ ξειδίυ ελέγχυ. 4 γ) Τ πάχς τυ ξειδίυ έγχυσης (tunneling oxide).4 δ) Τ πλήθς των απθηκευμένων ηλεκτρνίων... 5.3 Συμπεράσματα... 6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΝΑΝΟΚΡΥΣΤΑΛΛΙΤΕΣ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΣΕ ΛΕΠΤΟ ΟΞΕΙΔΙΟ ΤΟΥ ΠΥΡΙΤΙΟΥ..30 3.1 Τεχνικές ανάπτυξης.30 3.1.1 Τεχνική με ιντική εμφύτευση ιόντων πυριτίυ σε μήτρα SiOBB..30 3.1. Τεχνική ανάμιξης λεπτών υμενίων Si/SiOBB με χρήση ιντικής δέσμης και ανόπτησης. 31 3.1.3 Τεχνική εναπόθεσης από αερζόλ (Aerosol Deposition Technique)...31 3.1.4 Παρασκευή νανκρυσταλλιτών από ξείδι πλύσι σε πυρίτι (SRO).31 3.1.5 Τεχνική εναπόθεσης άμρφυ Si σε SiOBB με ινβλή και ανόπτηση...31 3.1.6 Τεχνική χημικής εναπόθεσης ατμών χαμηλής πίεσης ή υπβηθύμενη από πλάσμα ιόντων (LCVD ή ECVD)...3 α) Απευθείας ανάπτυξη νανκρυσταλλιτών σε SiOBB. 3 β) Εναπόθεση α- Si με LCVD και ξείδωση σε υψηλή θερμκρασία 3 3. Παράγντες πυ επηρεάζυν τ μέγεθς και την πυκνότητα των νανκρυσταλλιτών. 33 3.3 Εναπόθεση πλυκρυσταλλικύ πυριτίυ.....33 3.4 Οξείδωση πλυκρυσταλλικύ και άμρφυ πυριτίυ......37 3.4.1 Μελέτη της ξείδωσης....37 3.4. Επίδραση της θερμκρασίας στην θερμική ξείδωση υμενίων πλυκρυσταλλικύ πυριτίυ και άμρφυ Si...38 3.5 Συμπεράσματα... 38 vi
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΚΑΙ ΔΟΜΙΚΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΔΙΣΔΙΑΣΤΑΤΩΝ ΣΤΡΩΜΑΤΩΝ ΝΑΝΟΚΡΥΣΤΑΛΛΙΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΣΕ ΟΞΕΙΔΙΟ ΤΟΥ ΠΥΡΙΤΙΟΥ...41 4.1 Κατασκευή των δμών.....41 4. Χαρακτηρισμός των δειγμάτων με μικρσκπία ΤΕΜ....4 4.3 Χαρακτηρισμός των δειγμάτων με μικρσκπία AFM.... 47 4.4 Συμπεράσματα......49 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΩΝ MOS ΚΑΙ ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ MOSFET ΜΕ ΕΝΣΩΜΑΤΩΜΕΝΟ ΣΤΡΩΜΑ ΝΑΝΟΚΡΥΣΤΑΛΛΙΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΣΤΟ ΟΞΕΙΔΙΟ......50 5.1 Πιότητα ξειδίων...... 50 5. Μελέτη ξειδίων Si πάχυς 3.5nm...... 5 5..1 Πρετιμασία δειγμάτων...... 5 5.. Ηλεκτρικός Χαρακτηρισμός τυ ξειδίυ πάχυς 3.5nm.....53 5..3 Συμπεράσματα για τα λεπτά ξείδια.....58 5.3 Ανάπυξη νανκρυσταλλιτών πυριτίυ ανάμεσα στ διηλεκτρικό της πύλης σε μια δμή MOS......59 5.3.1 Κατασκευή δειγμάτων......59 5.3. Ηλεκτρικός Χαρακτηρισμς Χαρακτηριστικές καμπύλες ρεύματς- τάσης από τη δμή MOS με ενσωματωμένυς νανκρυσταλλίτες......60 5.3.3 Επίδραση της επεξεργασίας της επιφάνειας πριν την εναπόθεση τυ α-si στυς νανκρυσταλλίτες......68 5.4 Κατασκευή και ηλεκτρικός χαρακτηρισμός νέας σειράς δειγμάτων με πρεπιλεχθείσες συνθήκες.......7 5.4.1 Έλεγχς της φόρτισης και απφόρτισης των δμών MOS με ενσωματωμένυς νανκρυσταλλίτες με την εφαρμγή αρνητικών και θετικών παλμών..7 5.5 Ηλεκτρικές μετρήσεις σε χαμηλές θερμκρασίες.......74 5.5.1 Εξήγηση τυ φαινμένυ μεταβλής της κρυφής πυ εμφανίζεται στη χαρακτηριστική I-V συναρτήσει της θερμκρασίας.......79 5.6 Δμές με διπλά στρώματα νανκρυσταλλιτών ενσωματωμένων σε μνωτικό στρώμα.......81 5.6.1 Κατασκευή δειγμάτων c και L.........8 5.6. Κατασκευή δειγμάτων Ζ1 και Ζ......85 5.7 Ηλεκτρικές μετρήσεις χαρακτηριστικών IBDSB VBGSB σε μνήμες νανκρυσταλλιτών πυριτίυ τύπυ MOSFET......89 5.7.1 Δμή και βασική λειτυργία τυ τρανζίστρ επίδρασης πεδίυ, μετάλλυξειδίυ-ημιαγωγύ (MOSFET)......89 5.7. Κατασκευή μνημών με MOSFET τύπυ NMOS με ενσωματωμένυς νανκρυσταλλίτες......91 5.7.3 Ηλεκτρικές μετρήσεις μνημών MOSFET νανκρυσταλλιτών Si......9 5.8 Συμπεράσματα.........93 6. ΓΕΝΙΚΑ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΔΙΑΤΡΙΒΗΣ...96 vii
ΕΙΣΑΓΩΓΗ Με την εμφάνιση της τεχνλγίας MOS (metal-oxide-semiconductor) στις διατάξεις μνήμης τη δεκαετία τυ 60 καταβλήθηκε πρσπάθεια να αντιμετωπιστεί τ βασικό τυς μεινέκτημα πυ είναι η πτητικότητά τυς. Ένας τύπς επανεγγράψιμης μη πτητικής μνήμης (Non-volatile memory: NVM) είναι η ηλεκτρικά διαγραφόμενη πργραμματιζόμενη μνήμη μόν ανάγνωσης (Electrically Erasable rogrammable Read Only Memory: EEROM) με αιωρύμενη πύλη (floating gate-fg) η πία απτελεί υπκατηγρία της «διαγραφόμενης» (Flash) EEROM. Ο όρς «διαγραφόμενη» αναφέρεται στ γεγνός ότι τα περιεχόμενα ενός μεγάλυ συνόλυ μνήμης διαγράφνται σε ένα βήμα. Σήμερα η «διαγραφόμενη» μνήμη απτελεί τ πι γρήγρα αναπτυσσόμεν κμμάτι στην αγρά μνημών, βρίσκει εφαρμγή στυς υπλγιστές και απτελεί τ κύρι απθηκευτικό στιχεί σε φρητές συσκευές, όπως τα κινητά τηλέφωνα ή ι ψηφιακές κάμερες. Βασικό της πλενέκτημα απτελεί η μη πτητικότητά της, δηλαδή η δυνατότητά της να απθηκεύει φρτί χωρίς να χρειάζεται να γίνει ανανέωση των δεδμένων με ηλεκτρικό σήμα. Μεινέκτημά της είναι ι χαμηλές ταχύτητες πργραμματισμύ και διαγραφής της (της τάξης των μs και ms αντίστιχα). Παρά την τεράστια εμπρική επιτυχία τυς, ι συμβατικές διατάξεις αιωρύμενης πύλης παρυσιάζυν σήμερα ένα βασικό μεινέκτημα, πυ είναι η αδυναμία να ακλυθήσυν την περαιτέρω σμίκρυνση των διαστάσεων, πυ ακλυθεί η τεχνλγία CMOS (complementary metal oxide semiconductor) λγικών κυκλωμάτων. Ο περιρισμός πρέρχεται από τις υψηλές απαιτήσεις για μόνωση με τα διηλεκτρικά στρώματα πυ περιβάλλυν την αιωρύμενη πύλη και κυρίως για τ ότι για θέματα αξιπιστίας και απόδσης στην κατασκευή (yield), τ λεπτό ξείδι σήραγγας πυ απμνώνει τ στρώμα της αιωρύμενης πύλης από τ υπόστρωμα δεν μπρεί να σμικρυνθεί κάτω από ~5nm, καθόσν δεν εξασφαλίζεται η μη πτητικότητα. Μια ατέλεια μέσα στ διηλεκτρικό είναι αρκετή για να εξασφαλίσει διέξδ όλυ τυ απθηκευμένυ φρτίυ και να εκφρτίσει τελείως την μνήμη. Αυτό έκανε να αναζητηθύν εναλλακτικές δμές για απθήκευση πληρφρίας. Ένας τρόπς για να λυθεί τ πρόβλημα, έχντας την ίδια αρχή λειτυργίας για την μνήμη, είναι, αντί να χρησιμπιηθεί συνεχές στρώμα απθήκευσης τυ συνλικύ φρτίυ, να εξασφαλιστεί κατανεμημένη απθήκευση φρτίυ σε στρώμα διακριτών, μνωμένων μεταξύ τυς, νανκρυσταλλιτών (dots) ημιαγωγύ, με κάθε νανκρυσταλλίτη να απθηκεύει ένα ή λίγα μόν φρτία και τ σύνλ των φρτίων πυ απθηκεύεται σε όλυς τυς νανκρυσταλλίτες να ελέγχει την αγωγιμότητα στ κανάλι της διάταξης (n-mosfet). Έτσι μπρύμε να χρησιμπιήσυμε διατάξεις με μικρότερες διαστάσεις, άρα και λεπτότερα ξείδια, εξασφαλίζντας παράλληλα την μη πτητικότητα (μια πιθανή ατέλεια στ κάτω ξείδι τ πλύ να εκφρτίσει ένα νανκρυσταλλίτη διατηρώντας τ φρτί στυς υπόλιπυς πυ παραμένυν μνωμένι). Παράλληλα με την ελάττωση τυ πάχυς τυ ξειδίυ έχυμε και άλλα πλενεκτήματα, όπως ελάττωση της τάσης φόρτισης και αύξηση της ταχύτητας λειτυργίας. Επιπλέν η δυνατότητα ελάττωσης τυ πάχυς τυ ξειδίυ ακλυθείται από σμίκρυνση και όλων των υπλίπων διαστάσεων της μνήμης (μήκς καναλιύ) και ως εκ τύτυ διατίθεται μικρότερη επιφάνεια για κάθε διάταξη μνήμης. Για τη κατασκευή των νανκρυσταλλιτών ανάμεσα σε SiOBB έχυν πρταθεί κατά καιρύς διάφρες τεχνικές, όπως η ιντική εμφύτευση και στη συνέχεια ανόπτηση ή η απ ευθείας εναπόθεση Si σε λεπτό διηλεκτρικό, ακλυθύμενη από ανόπτηση. Η τεχνική πυ έχει διερευνηθεί και πρτείνεται στην παρύσα εργασία είναι η τεχνική 1
κεφάλαι με χημική εναπόθεση ατμών αμόρφυ πυριτίυ με την τεχνική LCVD σε σχετικά χαμηλή θερμκρασία, η πία ακλυθείται από μερική ξείδωση τυ στρώματς α- Si και ταυτόχρνη μετατρπή σε νανκρυσταλλικό με παράλληλη δημιυργία τυ πάνω ξειδίυ ελέγχυ. Στην συνέχεια γίνεται ανόπτηση σε υψηλή θερμκρασία. Αξίζει να σημειώσυμε ότι η τεχνική αυτή απαιτεί εξπλισμό πυ απτελεί μέρς τυ εξπλισμύ πυ χρησιμπιείται σε μια γραμμή CMOS (τεχνλγία Si) και είναι από τις πλέν υπσχόμενες ανάμεσα σε αυτές πυ έχυν πρταθεί. Στην παρύσα εργασία έγινε ανάπτυξη και μελέτη δμών με ενσωματωμένυς νανκρυσταλλίτες με την πραναφερθείσα τεχνική και έγινε δμικός χαρακτηρισμός τυς με μικρσκπία ΤΕΜ. Κατασκευάστηκαν στη συνέχεια πυκνωτές βασισμένι στην δμή αυτή και έγινε πλήρης ηλεκτρικός χαρακτηρισμός τυς. Τα βήματα κατασκευής των νανκρυσταλλιτών ενσωματώθηκαν σε μια πλήρη σειρά διεργασιών για τη κατασκευή τρανζίστρ τύπυ n-mosfet και κατασκευάστηκαν ι αντίστιχες διατάξεις από την μάδα τεχνικών με επικεφαλής την υπεύθυνη τυ εργαστηρίυ. Στα πλαίσια της παρύσας διατριβής έγιναν ηλεκτρικές μετρήσεις των διατάξεων αυτών και μελετήθηκαν ι διαδικασίες εγγραφής/διαγραφής και διατήρησης της πληρφρίας. Έγινε παράλληλα θεωρητική μελέτη και πρσμίωση της λειτυργίας των δμών πυ χρησιμπιήθηκαν για τις μνήμες. Στα κεφάλαια πυ ακλυθύν στη παρύσα εργασία θα δύμε πρώτα στ κεφάλαι 1 διάφρα στιχεία από την φυσική ημιαγωγών πυ χρησιμπιύνται στην παρύσα διατριβή. Θα αναπτυχθύν ι ιδιότητες των χαμηλδιάστατων ημιαγωγών στις πίες η μια, ι δυ ή και ι τρεις διαστάσεις είναι κάτω από 10 nm (κβαντικές διαστάσεις). Θα παρυσιαστεί τ φαινόμεν σήραγγας (tunneling) και τ φαινόμεν «φραγής» Coulomb (Coulomb blockade). Στ θα αναφερθεί τρόπς παρασκευής και η λειτυργία μη πτητικών μνημών ανάγνωσης-εγγραφής με αιωρύμενη πύλη, καθώς και στιχεία για την μέχρι σήμερα έρευνα σε μνήμες νανκρυσταλλιτών πυριτίυ. Στ κεφάλαι 3 θα αναλυθύν ι διάφρες τεχνικές κατασκευής νανκρυσταλλιτών πυριτίυ ανάμεσα σε λεπτό διξείδι τυ πυριτίυ καθώς και ι παράγντες πυ επηρεάζυν τ μέγεθς και την πυκνότητα των νανκρυσταλλιτών. Από τ κεφάλαι 4 ξεκινά η περιγραφή τυ πειραματικύ μέρυς. Παρυσιάζεται η κατασκευή δμών με ενσωματωμέν στρώμα νανκρυσταλλιτών και αναλύνται τα απτελέσματα τυ δμικύ χαρακτηρισμύ των δμών με μικρσκπία ΤΕΜ. Τ κεφάλαι 5 αναφέρεται στν ηλεκτρικό χαρακτηρισμό των διατάξεων MOS με και χωρίς νανκρυσταλλίτες. Γίνεται περιγραφή της διαδικασίας κατασκευής πλύ λεπτών ξειδίων (ξειδίυ Si πάχυς 3.5nm) και μελέτη της πιότητάς τυς. Παρυσιάζνται διάφρες μέθδι και διαδικασίες ηλεκτρικύ χαρακτηρισμύ των δειγμάτων. Παρυσιάζεται επίσης η κατασκευή και ηλεκτρικός χαρακτηρισμός διατάξεων πυκνωτών με ενσωματωμέν στρώμα νανκρυσταλλιτών (I-V, C-V, συγκράτηση φρτίυ (retention), απόκριση σε θετικύς και αρνητικύς παλμύς, παράθυρ μνήμης, μελέτη συμπεριφράς σε χαμηλές θερμκρασίες και πρσμίωση της λειτυργίας των δμών) καθώς και η μελέτη άλλων συνθετότερων δμών με διπλό νανκρυσταλλικό στρώμα. Τέλς περιγράφεται η κατασκευή μνημών τύπυ «τρανζίστρ επίδρασης πεδίυ μετάλλυ-ξειδίυ-ημιαγωγύ (MOSFET) με ενσωματωμέν στρώμα νανκρυσταλλιτών μέσα στ ξείδι της πύλης» και παρυσιάζνται απτελέσματα από τν ηλεκτρικό χαρακτηρισμό τυς με την λήψη διαγραμμάτων IBdsB-VBgs. Η εργασία λκληρώνεται με την παρυσίαση των συμπερασμάτων.
κεφάλαι 1. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1o: ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΚΒΑΝΤΙΚΩΝ ΤΕΛΕΙΩΝ ΗΜΙΑΓΩΓΟΥ Στ 1 θα δθύν ι βασικές ιδιότητες των κβαντικών τελειών ημιαγωγύ σε μνωτική μήτρα, πυ είναι τελείως διαφρετικές από αυτές τυ εκτεταμένυ ημιαγωγύ. Θα αναλυθεί διεξδικά τ πώς ι ιδιότητες αυτές μπρύν να χρησιμπιηθύν σε μια μνήμη νανκρυσταλλιτών ημιαγωγύ. Πι συγκεκριμένα: Θα αναφερθύν διάφρα στιχεία από την φυσική ημιαγωγών, θα αναπτυχθύν τα χαμηλδιάστατα (Low dimensional) συστήματα, δηλαδή συστήματα πυ παρυσιάζυν ιδιότητες πυ συνδένται με ελευθερία κινήσεων σε λιγότερες από τρεις διαστάσεις, με βασικές ιδιότητες αυτές τυ κβαντικύ εντπισμύ (quantum confinement) και τυ φαινμένυ φραγής Coulomb (Coulomb blockade). Θα παρυσιαστεί επίσης τ φαινόμεν σήραγγας (tunneling). Αντικείμεν της παρύσας εργασίας είναι η μελέτη δμών πυ περιέχυν στρώματα με νανκρυσταλλίτες πυριτίυ ενσωματωμένα μέσα σε μνωτική μήτρα διξειδίυ τυ πυριτίυ με πρπτική την εφαρμγή σε διατάξεις μνήμης. Στην περίπτωση των μνημών νανκρυσταλλιτών πυριτίυ έχυμε δμές όπως αυτές τυ σχήματς 1 πυ απτελύν τη βάση για τις αντίστιχες διατάξεις μνήμης. Μέταλλ πύλης νανκρυσταλλίτες πυριτίυ SiOB Σχήμα 1: Βασική δμή με ενσωματωμένυς νανκρυσταλλίτες μέσα στ ξείδι πύλης Όπως βλέπυμε, πάνω σε υπόστρωμα πυριτίυ έχυμε ένα πλύ λεπτό στρώμα ξειδίυ τυ πυριτίυ. Πάνω από τ λεπτό στρώμα SiOBB υπάρχει τ στρώμα των νανκρυσταλλιτών πυριτίυ και πάνω από τ στρώμα αυτό έχυμε ένα παχύτερ στρώμα διξειδίυ τυ πυριτίυ καλυμμέν με τ μέταλλ της πύλης. Οι νανκρυσταλλίτες είναι ενσωματωμένι μέσα στ διηλεκτρικό. Οι νανκρυσταλλίτες τυ πυριτίυ, όπως και κάθε άλλυ ημιαγωγύ, ι πίι απκαλύνται και κβαντικές τελείες (quantum dots-qd) παρυσιάζυν ιδιότητες πυ διαφέρυν κατά πλύ από αυτές των αντίστιχων ημιαγωγών εκτεταμένων διαστάσεων (bulk). Η ηλεκτρνική τυς δμή πρσδιρίζεται από τ μέγεθός τυς αλλά και από τ χημικό περιβάλλν στ πί βρίσκνται ι νανκρυσταλλίτες. Η ηλεκτρνική τυς δμή, όπως θα δύμε, απτελείται από διακριτές ενεργειακές στάθμες πυ βρίσκνται τόσ στην ζώνη αγωγιμότητας όσ και στη ζώνη σθένυς τυ ημιαγωγικύ υλικύ. Ελαττώνντας τ μέγεθς των νανκρυσταλλιτών, αυτές ι δέσμιες καταστάσεις μετατπίζνται σε υψηλότερες τιμές ενέργειας με απτέλεσμα τ ενεργειακό χάσμα τυ υλικύ να μεγαλώνει[1,]. Επίσης, τα άτμα γύρω από τυς νανκρυσταλλίτες πυ φτιάχνυν χημικύς δεσμύς με αυτύς παίζυν σημαντικό ρόλ στην διαμόρφωση τυ ενεργύ ενεργειακύ χάσματς. Εισάγυν διεπιφανειακές καταστάσεις σε θέσεις εντός τυ ενεργειακύ Si 3
και είναι χάσματς τυ ημιαγωγύ, με απτέλεσμα να έχυμε σημαντική διαφρπίηση των μακρσκπικών ιδιτήτων των κβαντικών τελειών κάθε φρά πυ έχυμε αλλαγή στ χημικό τυς περιβάλλν. Άλλη μια ενδιαφέρυσα ιδιότητα των νανκρυσταλλιτών ημιαγωγύ είναι αυτή της ελεγχόμενης φόρτισης εξαιτίας τυ φαινμένυ φραγής Coulomb[8,10]. Όταν τ πρώτ ηλεκτρόνι εγχυθεί πρς τν νανκρυσταλλίτη θα καταλάβει τη χαμηλότερη ενεργειακά δέσμια κατάσταση στν νανκρυσταλλίτη. Η ενέργεια πυ απαιτείται γι αυτή την μετάβαση στις κβαντικές στάθμες είναι η ενέργεια κβαντικύ εντπισμύ. Η κατάληψη της πρώτης κβαντικής στάθμης στν νανκρυσταλλίτη από ένα διακριτό φρτί τρππιεί τ ηλεκτρστατικό τυ δυναμικό με απτέλεσμα η μετακίνηση ενός δεύτερυ φρτίυ πρς τν νανκρυσταλλίτη να απαιτεί ενέργεια μεγαλύτερη από την ενέργεια φόρτισης τυ ημιαγωγύ. Αυτό σημαίνει ότι, αν τ ηλεκτρικό πεδί πυ εφαρμόζυμε για να επιταχύνυμε τυς φρείς είναι της ίδιας σταθερής τιμής, θα έχυμε «φραγή» στην μετακίνηση τυ επόμενυ ηλεκτρνίυ. Οι παραπάνω ιδιότητες δίνυν δυνατότητα να χρησιμπιηθύν τέτιυ είδυς χαμηλδιάστατες δμές για εφαρμγές σε διατάξεις μνήμης [1-15] καθώς και σε διατάξεις εκπμπής φωτός (LED)[16-1]. 1.1. Η περίπτωση τυ εκτεταμένυ τρισδιάστατυ ημιαγωγύ Στην συνέχεια θα δθύν κάπια θεωρητικά στιχεία για την κίνηση ενός σωματιδίυ σε εκτεταμέν τρισδιάστατ ημιαγωγό και για την διαφρπίηση πυ επέρχεται στη περίπτωση των χαμηλδιάστατων συστημάτων. Ας θεωρήσυμε ένα κυτί με διαστάσεις LB1B, LBB LB3B, και ας υπθέσυμε ότι υπάρχει μηδενικό δυναμικό για τα ηλεκτρόνια στ χώρ μέσα στ κυτί και άπειρ δυναμικό έξω από αυτό. Όπως ξέρυμε από τη βασική θεωρία η ανεξάρτητη τυ χρόνυ εξίσωση τυ Schrödinger πυ περιγράφει την κίνηση ενός σωματιδίυ, όπως π.χ. ενός ηλεκτρνίυ σε τρεις διαστάσεις είναι: [ h + V ( r)] ψ lmn ( r) = Elmn ψ lmn ( r) (1) m και έχει ως αναλυτική λύση για ένα ηλεκτρόνι, πυ ικανπιεί την συνθήκη στα όρια ψ lmn ( r) = 0, την κυματσυνάρτηση ΨBlmnB(r) πυ δίνεται από τη σχέση ( 8 L L L ) sin( lπ x L ) sin( mπ y L ) ( n z ) ψ () lmn( r) = 1 3 1 sin π L3 με ενέργεια καθαρά κινητική (επειδή τ δυναμικό είναι μηδέν στ εσωτερικό τυ κυτιύ): [ ] ( m) ( l / L ) + ( m / L ) ( n / L ) E lmn = h π + (3) 1 3 Στην περίπτωση τυ πραγματικύ κρυστάλλυ πυ τ LBiB στην κλίμακα των χιλιστών, ι κβαντικί αριθμί (l,m,n) είναι πλύ μεγάλι και επμένως ι όρι στν τύπ της κινητικής ενέργειας πλύ μικρί σε μνάδες της τάξης τυ mev. Σ αυτή την περίπτωση τα κυματανύσματα k και ι ιδιτιμές της ενέργειας δίννται από [4]: 4
ή k=(lπlb1b/, mπlbb/, nπ/lb3b) (4) και EBlmnB=E(k)= h k m (5) Δίνυν δηλαδή ένα φάσμα από ενεργειακές στάθμες σχεδόν συνεχές καθώς ι τιμές των l, m, n είναι πλύ μεγάλες. Στην περίπτωση των χαμηλδιάστατων συστημάτων κάπιες από τις τρεις διαστάσεις LBiB και ι τρεις είναι της τάξης μεγέθυς λίγων νανμέτρων και ι ακέραιι l, m, n είναι πλύ μικρί. Τ ενεργειακό φάσμα γίνεται πια διακριτό και ι ενεργειακές στάθμες απέχυν τόσ περισσότερ μεταξύ τυς όσ μικρότερες είναι ι διαστάσεις τυ ημιαγωγύ. 1.. Χαμηλδιάστατα Συστήματα (Low dimensional systems). Στην περίπτωση πυ θα εξετάσυμε στην παρύσα εργασία, έχυμε ημιαγωγύς κβαντικών διαστάσεων σε μνωτική μήτρα πυ ι ιδιότητες τυς είναι τελείως διαφρετικές από αυτές τυ εκτεταμένυ ημιαγωγύ, στν πί τα ηλεκτρόνια κινύνται ελεύθερα σε όλ τ χώρ και έχυν συνεχές φάσμα ενεργειακών τιμών, με χαμηλότερη τιμή ενέργειας την Ε=0. Η διαφρά είναι ότι στα χαμηλδιάστατα συστήματα τα ηλεκτρόνια παγιδεύνται σε στενά πηγάδια δυναμικύ και εμφανίζυν διακριτά ενεργειακά επίπεδα με χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση την ΕB1B>0. Αν η ενεργειακή απόσταση ανάμεσα στα διακριτά ενεργειακά επίπεδα τυ χαμηλδιάστατυ ημιαγωγύ είναι αρκετά μεγάλη, μεγαλύτερη από την ενέργεια ΚΤ πυ παίρνει τ ηλεκτρόνι λόγω θερμικών διακυμάνσεων στην αντίστιχη θερμκρασία, τα ηλεκτρόνια θα μιάζυν ακινητπιημένα στην βασική κατάσταση και δεν θα είναι εφικτό πιδήπτε είδς κίνησης κατά μήκς αυτής της διάστασης. Έτσι περιρίζεται η κίνησή τυς σε μία ή περισσότερες από τις τρεις διαστάσεις [3,4] και παραμένυν εντπισμένα σε μια περιχή τυ χώρυ. Επμένως, όσ πι στενό είναι τ πηγάδι δυναμικύ, τόσ περισσότερ περιρίζεται η διασπρά Δx τυ σωματιδίυ στην αντίστιχη διάσταση στν πραγματικό χώρ (Δx μικρό). Επιπλέν, σύμφωνα με την αρχή της απρσδιριστίας τυ Heisenberg [1] 1 Δx Δp h (6) όπυ Δx η διασπρά στη θέση στην διεύθυνση x και Δp η διασπρά στην ρμή, όσ μικραίνει τ Δx για τ σωματίδι, τόσ αυξάνεται η μεταβλή της ρμής τυ και κατά συνέπεια της ενέργειάς τυ. Αυτό εξηγεί την εξάρτηση τυ ύψυς των ενεργειακών επιπέδων από τ πλάτς α τυ πηγαδιύ. 1..1. Πυκνότητα ενεργειακών καταστάσεων Για να περιγράψυμε πλήρως ένα σύστημα, ένα σημαντικό μέγεθς είναι η πυκνότητα καταστάσεων Ν(Ε). Ο όρς Ν(Ε)δ(Ε) είναι αριθμός καταστάσεων ενός συστήματς των πίων ι ενέργειες βρίσκνται στην περιχή Ε και Ε+δΕ και δίνει πληρφρίες για την κατανμή των ενεργειακών σταθμών. Συνήθως μας ενδιαφέρει η πυκνότητα καταστάσεων ανά μνάδα μήκυς [3]: 5
και N ( A) nd ( E) = (7) L Με ελευθερία κινήσεων και στις τρεις διαστάσεις Ω=LBxB*LByB*LBzB η πυκνότητα καταστάσεων δίνεται από τν τύπ m n D ( E) = 3 me 3 π h (8) 1/ είναι δηλαδή ανάλγη τυ Ε, και αυτό είναι χαρακτηριστικό των 3-D συστημάτων. Με ελευθερία κινήσεων σε δύ διαστάσεις ισχύει η σχέση: m n D ( E) = (9) π h Στα μνδιάστατα συστήματα (με ελευθερία κινήσεων μόν σε μια διάσταση) η -1/ πυκνότητα καταστάσεων είναι ανάλγη τυ Ε δίνεται από τν τύπ: 1 m n D ( E) = 1 π h E (10) δηλαδή ελαττώνεται καθώς αυξάνεται η ενέργεια. Μπρύμε να πρχωρήσυμε ακόμα πι πέρα και να περιρίσυμε τα ηλεκτρόνια και στις τρεις διαστάσεις. Τ απτέλεσμα θα είναι ένα σύστημα 0 διαστάσεων δηλαδή μια κβαντική τελεία ή αλλιώς ένα τεχνητό άτμ. Η πυκνότητα καταστάσεων είναι τώρα μια σειρά από συναρτήσεις δέλτα, καθώς δεν υπάρχει δυνατότητα κίνησης σε καμία διεύθυνση[6]. n ( E) Σ δ ( Ε ε ) (11) 0D ε i i Γενικά η πυκνότητα καταστάσεων εμφανίζεται μεγαλύτερη στην βάση της ζώνης όταν περιρίζυμε τις διαστάσεις ελεύθερης κίνησης των φρέων από τρεις σε δυ ή σε μία. Η ιδιότητα αυτή βρίσκει εφαρμγές σε διατάξεις φωτεκπμπής [3,4], καθώς και σε καιντόμες νανηλεκτρνικές διατάξεις. Στ σχήμα πυ ακλυθεί φαίνεται η πυκνότητα καταστάσεων σαν συνάρτηση της ενέργειας Ε για τα ελεύθερα ηλεκτρόνια σε 3-, -, 1- και 0- διαστάσεις. n(e) 3D D 1D 0D m n ( E) = me 3D 3 π h n ( E) D = m π h nd 1 ( E) = πh m E n ( E) 0D δ ( E ε ) i 0 Ε 0 Ε 0 Ε 0 Ε Σχήμα : Διαγράμματα πυκνότητας καταστάσεων σαν συνάρτηση της ενέργειας σε συστήματα τριών διαστάσεων (3-D, εκτεταμένς ημιαγωγός), δύ διαστάσεων (-D, κβαντικό πηγάδι), μιας διάστασης (1-D, κβαντικό σύρμα) και μηδενικής διάστασης (0- D, κβαντική τελεία). 6
1... Κβαντικές τελείες Η ενέργεια ενός ηλεκτρνίυ τ πί είναι εντπισμέν σε μια πλύ μικρή περιχή, όπως είναι μια κβαντική τελεία, είναι ισχυρά κβαντισμένη, δηλαδή, παρυσιάζει ενεργειακό φάσμα τελείως διακριτό. Σε δμές με διαστάσεις της τάξης μεγέθυς των 10-100nm, η απόσταση ανάμεσα στα γειτνικά ενεργειακά επίπεδα είναι της τάξης των λίγων mev. Παρατηρείται επίσης διεύρυνση τυ ενεργειακύ χάσματς για τν χαμηλδιάστατ ημιαγωγό. Για τν ακριβή υπλγισμό της δμής των ενεργειακών ζωνών μέσα σε μια κβαντική τελεία (διαστάσεων μερικών nm), όπυ τα κβαντικά φαινόμενα γίννται πλύ σημαντικά, αναπτύχθηκαν διάφρες αριθμητικές τεχνικές υπλγισμύ, χρησιμπιώντας είτε τ μντέλ ισχυρών δεσμών (Tight Binding method-tbm) από τυς Niquet et al [5], είτε την πρσέγγιση ενεργύ μάζας (Effective Mass approximation-ema) από τυς Thean et al[6]. Η μέθδς πρσέγγισης ενεργύ μάζας (EMA) βασίζεται στην αντικατάσταση τυ περιδικύ δυναμικύ τυ κρυστάλλυ με ένα σταθερό δυναμικό, ενώ τελεστής κινητικής ενέργειας αντικαθίσταται με τν τελεστή της ενεργύ μάζας. Περιγράφει μόν την περιβάλλυσα της κυματσυνάρτησης, χωρίς να εξετάζει λεπτμέρειες σε ατμική κλίμακα, είναι όμως ιδιαίτερα απλή και σε μερικές περιπτώσεις μπρεί να δώσει αξιόπιστα απτελέσματα. Στη μέθδ με τ μντέλ ισχυρών δεσμών (TBM) λαμβάννται υπόψη δμικές λεπτμέρειες της νανδμής και κατά τυς υπλγισμύς μπρύν να συμπεριληφθύν όλες ι ενεργειακές στάθμες. Άλλες μέθδι για τν υπλγισμό της δμής των ενεργειακών ζωνών μέσα σε μια κβαντική τελεία είναι με την χρήση ενός εμπειρικύ ψευδδυναμικύ (Empirical seydopotential Method-EM) πυ χρησιμπιήθηκε από τυς Wang and Zunger [5], η πία πρσεγγίζει τ συνλικό δυναμικό με την υπέρθεση ατμικών ψευδδυναμικών και η μέθδς της πρσέγγισης τπικής πυκνότητας (Local Density Approximation-LDA)[3]. Η πι κινή παράμετρς για τις δμές πυ εξετάζυμε είναι η σχέση ανάμεσα στ ενεργειακό χάσμα και στ μέγεθς της κβαντικής τελείας. Συνήθως όταν έχυμε διαφρετικά σχήματα, για τν καθρισμό τυ μεγέθυς της κβαντικής τελείας θεωρύμε μια πσότητα πυ νμάζυμε ενεργό μέγεθς. Σαν ενεργό μέγεθς ρίζυμε τ αντίστιχ μέγεθς μιας σφαιρικής κβαντικής δμής με τν ίδι αριθμό ατόμων με αυτή πυ μελετάμε πυ δίνεται από τν τύπ: d 3 4πρ 1 3 1 3 ( ) = Ν N Si Si όπυ ρ η πυκνότητα τυ ημιαγωγύ και ΝBSiB η πυκνότητα πρσμείξεων τυ ημιαγωγύ. Στην κβαντική τελεία τ διάγραμμα των ενεργειακών καταστάσεων απτελείται από διακριτά ατμικά επίπεδα και ως ενεργειακό χάσμα ρίζεται η διαφρά ενέργειας ανάμεσα στην υψηλότερη κατειλημμένη στάθμη της ζώνης σθένυς και στην χαμηλότερη ελεύθερη στάθμη της ζώνης αγωγιμότητας. Τ ενεργειακό χάσμα μιας κβαντικής τελείας πυριτίυ, όπως υπλγίστηκε από τυς Wang and Zunger [5], δίνεται από τη σχέση: 1,37 ΕBgB(d)=1.167+ 88,34/d (ev) (13) όπυ d η ενεργός διάμετρς της κβαντικής τελείας. Στ σχήμα πυ ακλυθεί βλέπυμε τα απτελέσματα σύμφωνα με τις μεθόδυς ΕΤΒ, ΕΡΜ, και LDA, της εξάρτησης τυ ενεργειακύ χάσματς από τις κβαντικές διαστάσεις της τελείας (σχήμα 3, από την αναφρά [4]). Όπως είναι πρφανές, τ ενεργειακό χάσμα αυξάνεται με τν περιρισμό των διαστάσεων σε σχέση με ένα εκτεταμέν ημιαγωγό και υπάρχει συμφωνία μεταξύ των τριών αυτών μεθόδων, ενώ (1) 7
η μέθδς ΕΜΑ δίνει υπερεκτιμημένα απτελέσματα, ακλυθώντας σχέση αντιστρόφυ τετραγώνυ (~1/d ) [4] σαν συνάρτηση της διαμέτρυ d. Σχήμα 3: Μεταβλή τυ ενεργειακύ χάσματς συναρτήσει των κβαντικών διαστάσεων της τελείας. (ΕΤΒ συνεχής γραμμή, ΕΡΜ αστεράκια, LDA τελείες). Τα απτελέσματα με τη μέθδ LDA έχυν υπστεί λίσθηση κατά τ πσό πυ υπεκτιμά η μέθδς τ ενεργειακό χάσμα δηλαδή κατά 0.6 ev (από αναφρά [4]) Τ ενεργειακό χάσμα και ι διακριτές κβαντικές ενεργειακές στάθμες της κβαντικής τελείας, εξαρτώνται και από τ ύψς τυ φραγμύ δυναμικύ. Η εξάρτηση τυ πρώτυ ενεργειακύ επιπέδυ (1s- επίπεδ) από την ακτίνα R τυ νανκρυσταλλίτη, για διαφρετικές τιμές ύψυς τυ φραγμύ δυναμικύ δόθηκε από τυς Quang et al [7]. Στην περίπτωση αυτή έγινε ακριβής υπλγισμός των ενεργειών και των κυματσυναρτήσεων ενός ηλεκτρνίυ, σε όλες τις δέσμιες καταστάσεις, για ένα πραγματικό νανκρυσταλλίτη πυριτίυ ενσωματωμέν μέσα σε μνωτικό SiOBB, λαμβάνντας υπόψη τις αλλαγές στην ενεργό μάζα των ηλεκτρνίων κατά τη μετακίνηση τυς από τ ένα υλικό στ άλλ σύμφωνα με τ μντέλ τυ δυναμικύ ενός πεπερασμένυ τετραγωνικύ πηγαδιύ ακτίνας R και ενεργειακύ φραγμύ VBoB. 1..3. Φαινόμεν σήραγγας Στην περίπτωση των δμών πυ εξετάζυμε, ι νανκρυσταλλίτες στυς πίυς γίνεται η κατανεμημένη απθήκευση φρτίυ βρίσκνται ενσωματωμένι μέσα σε μνωτική μήτρα διξειδίυ τυ πυριτίυ πυ τα απμνώνει ηλεκτρικά από τ υπόστρωμα, την πύλη, αλλά και μεταξύ τυς. Η απόσταση από τ υπόστρωμα είναι μικρή λόγω τυ πλύ λεπτύ ξειδίυ σήραγγας πυ χρησιμπιύμε, μέσα από τ πί γίνεται η έγχυση των φρέων από τ κανάλι πρς τυς κρυσταλλίτες και απτελεί ένα φραγμό δυναμικύ. Στην κλασσική μηχανική, ένα ηλεκτρόνι δεν είναι δυνατόν να περάσει από ένα τέτι φραγμό δυναμικύ εκτός αν έχει αρκετή κινητική ενέργεια για να περάσει πάνω από τν φραγμό. Στην κβαντμηχανική όμως είναι δυνατόν να περάσει δια μέσυ τυ φραγμύ αν τ πάχς τυ φραγμύ είναι μικρό. Αυτό τ φαινόμεν νμάζεται φαινόμεν σήραγγας (tunneling) και έχει πλλές εφαρμγές, όπως για παράδειγμα να ελέγχει την έγχυση ηλεκτρνίων σε κάπια τρανζίστρ θερμών ηλεκτρνίων. Η έγχυση ελέγχεται από τ πεδί πυ αναπτύσσεται στ διηλεκτρικό λόγω της τάσης πυ εφαρμόζυμε στην πύλη και τ πί παρέχει την απαραίτητη ενέργεια και επιταχύνει τυς φρείς. Ο συντελεστής διάδσης δια μέσυ τυ φραγμύ αυξάνεται 8
σημαντικά με την ενέργεια, με απτέλεσμα φραγμός να επιτρέπει επιλεκτικά την διέλευση των ηλεκτρνίων πυ έχυν την υψηλότερη ενέργεια. Ας υπθέσυμε ότι ηλεκτρόνι ενέργειας Ε, πυ ταξιδεύει κατά μήκς της διεύθυνσης +z πρσπίπτει πάνω σε τετραγωνικό φραγμό δυναμικύ με V(z)=Vo για α/<z<α/ και V(z)=0 πυδήπτε αλλύ (Σχήμα 4), με την αρχή των αξόνων να βρίσκεται στ κέντρ τυ φραγμύ. Τότε τα δυναμικά δεξιά (περιχή 3) και αριστερά (περιχή 1) είναι και τα δυ μηδέν. V(z) Περιχή 1 Περιχή Vo Περιχή 3 -α/ α/ Σχήμα 4: Τετραγωνικός φραγμός δυναμικύ Όταν τ ηλεκτρόνι έχει ενέργεια μεγαλύτερη από τ φραγμό δυναμικύ (Ε>Vo), συντελεστής διέλευσης τυ ηλεκτρμαγνητικύ κύματς δίνεται από την σχέση 1 V 0 T = 1 + sin kα 4E( E V0 ) όπυ κυματάριθμς kb Bδίνεται από την σχέση kbb =m(ε -Vo)/ħ Η κβαντμηχανική όμως επιτρέπει στ ηλεκτρόνι να περνά μέσα από τ φραγμό δυναμικύ ακόμα και όταν η ενέργεια τυ είναι χαμηλότερη από τν φραγμό δυναμικύ Ε<Vo, αν και η πιθανότητα διάδσης μπρεί να είναι μικρή (σχήμα 5). (14) Τ (Ε) 1 0.5 φραγμός συνάρτηση-δ κλασική 0 0. 0.4 0.6 0.8 1 Ε/eV Σχήμα 5: Γραφική παράσταση τυ συντελεστή διάδσης τυ ηλεκτρμαγνητικύ κύματς Τ(Ε) συναρτήσει της ενέργειας Ε για ένα τετραγωνικό φραγμό δυναμικύ ύψυς 0.3eV 9
Αν λιπόν Ε<Vo τ kb Bαντικαθίσταται από +iκbb και συντελεστής διέλευσης δίνεται από την σχέση 1 V 0 T = 1 + sinh κ α 4 ( ) E V E 0 (15) όπυ κbb =m(vo-ε)/ħ Στην περίπτωση ενός φράγματς πυ είναι αρκετά πλατύ (μεγάλη τιμή τυ α) και υψηλό (Vo>>E) σε σύγκριση με την ενέργεια τυ σωματιδίυ, τότε η τιμή τυ υπερβλικύ ημιτόνυ, πυ εμφανίζεται στ συντελεστή διέλευσης, γίνεται αρκετά μεγάλη, πότε μπρύμε να γράψυμε 1 κ α sinhκ α e (16) και επμένως συντελεστής διέλευσης δίνεται από: 16E E 16 E E T ( E) = (1 ) exp( κ α) = (1 ) exp( α m( V E) / h ) 0 V V V V 0 0 0 0 (17) Αν τ κbbα είναι μεγάλ, η εξίσωση μπρεί να γίνει 16E T exp κ α (18) V 0 ( ) Σε αυτή τη περίπτωση κυριαρχεί εκθετικός όρς exp(-κbbα) πίς απτελεί απλή εκτίμηση της πιθανότητας διέλευσης (tunneling) δια μέσυ τυ φραγμύ. Όπως βλέπυμε, συντελεστής διέλευσης έχει "εκθετική ευαισθησία" στις μεταβλές της ενέργειας τυ σωματιδίυ και τυ πλάτυς τυ φράγματς. Με άλλα λόγια, ακόμα και πλύ μικρές μεταβλές στην ενέργεια Ε ή τ πλάτς α αρκύν για να πρκαλέσυν τεράστιες μεταβλές στ συντελεστή διέλευσης. 0 α Σχήμα 6: Μείωση τυ πλάτυς της κυματσυνάρτησης μετά την διέλευσή της από φραγμό δυναμικύ πλάτυς α. Μέσα στ φράγμα η κυματσυνάρτηση υφίσταται μία εκθετική μείωση τυ πλάτυς της κατά έναν παράγντα όπως φαίνεται και στ σχήμα.6. Θα ισχύει δηλαδή ψ ( α ) ( κ α ) e (19) ψ ( 0) πότε συντελεστής διέλευσης, πυ ισύται με τ τετράγων τυ λόγυ των πλατών ( κ ) πριν και μετά τ φράγμα, θα είναι κατά πρσέγγιση ίσς με α T e Για μικρές μεταβλές της ενέργειας, παράγντας μπρστά από τ εκθετικό τυ τύπυ (3) είναι μία αργά μεταβαλλόμενη συνάρτηση τυ Ε, σε σύγκριση μάλιστα με 10
e e τις τεράστιες μεταβλές τυ εκθετικύ στην ίδια ενεργειακή περιχή. Άρα, μπρύμε να θεωρήσυμε σταθερό αυτόν τν παράγντα και να γράψυμε Τ(Ε)=exp(-κBBα) [1] Τ φαινόμεν σήραγγας είναι πλύ ευαίσθητ στ μέγεθς της μάζας τυ σωματιδίυ. Όσ μικρότερη είναι η μάζα, τόσ μεγαλύτερη είναι η πιθανότητα διέλευσης ενός φράγματς. Και αντίστρφα, όσ μεγαλώνει η μάζα, τόσ συντελεστής διέλευσης μικραίνει, μέχρις ότυ μηδενιστεί τελείως στ κλασικό όρι με μεγάλη τιμή μάζας ( m ). Όπως είδαμε, συντελεστής διέλευσης δια μέσυ τυ φραγμύ δυναμικύ έχει ισχυρή εξάρτηση από τ πλάτς τυ φραγμύ, με απτέλεσμα μικρή αύξηση τυ πάχυς τυ ξειδίυ να μειώνει τ ρεύμα έγχυσης των φρέων κατά πλύ. Ειδικότερα, παρατηρείται μεγάλη αύξηση στ ρεύμα, ακόμα και με χαμηλά πεδία, στα ξείδια πυ επιτρέπυν διέλευση λόγω απευθείας φαινμένυ σήραγγας (Σχήμα 7α). Αυτό συμβαίνει για πάχη ξειδίων μικρότερα από ~3nm. Στην περίπτωση αυτή, τα ρεύματα είναι μεγάλα με απτέλεσμα να αυξάνεται η ταχύτητα λειτυργίας των αντίστιχων διατάξεων, αλλά παράλληλα εμφανίζεται τ μεινέκτημα, όπως θα δύμε στη συνέχεια, ότι με την μείωση τυ πάχυς, αυξάνεται η πτητικότητα των μνημών, γεγνός τ πί δεν είναι επιθυμητό. Για μεγαλύτερα πάχη διηλεκτρικύ η διέλευση των φρέων γίνεται λόγω φαινμένυ σήραγγας Fowler Nordheim (Σχήμα 7β). Οξείδι σήραγγας Οξείδι σήραγγας evb1b Si - nc-si Οξείδι ελέγχυ Si - evbb Πλυκρυσταλλικό πυρίτι nc-si Οξείδι ελέγχυ Πλυκρυσταλλικό πυρίτι πύλης α Σχήμα 7 : α)μηχανισμός διέλευσης με απευθείας φαινόμεν σήραγγας β) Μηχανισμός διέλευσης με φαινόμεν σήραγγας Fowler Nordheim Για να εξασφαλίσυμε μη πτητικότητα, τ πάχς τυ ξειδίυ πρέπει να είναι αρκετά λεπτό, για να έχυμε φαινόμεν σήραγγας, αλλά και αρκετά μεγάλ για να έχυμε χαμηλά ρεύματα διαρρής. Λαμβάνντας υπόψη τα παραπάνω τ λεπτό ξείδι σήραγγας πυ χρησιμπιήσαμε στις δμές πυ κατασκευάστηκαν περιρίστηκε σε πάχη 3.5-4nm. 1..4. Φαινόμενα ενός ηλεκτρνίυ (single electron) Όταν ι διαστάσεις μιας δμής γίννται της τάξης τυ μήκυς κύματς Fermi (τ De Broglie μήκς κύματς των ηλεκτρνίων στ επίπεδ Fermi) και στις τρεις διαστάσεις, δηγύμαστε σε κβαντικές τελείες (0DES) και όπως αναφέραμε αρχίζυν να γίννται ρατά κβαντμηχανικά φαινόμενα. Στις τελείες ι ηλεκτρνικές καταστάσεις είναι τελείως κβαντισμένες και εντπισμός υπάρχει και στις τρεις διαστάσεις με απτέλεσμα να παρυσιάζυν ένα διακριτό φάσμα ενεργειακών επιπέδων λίγ πλύ όπως έχει ένα άτμ ή ένα μόρι. Μπρύμε λιπόν να θεωρήσυμε τις κβαντικές τελείες ως τεχνητά άτμα, τα πία μπρύν να κατασκευαστύν έτσι ώστε να έχυν ένα συγκεκριμέν ενεργειακό χάσμα. Όπως στα συστήματα ατόμων, έτσι και εδώ ι ηλεκτρνικές καταστάσεις είναι ευαίσθητες στην παρυσία πλλών ηλεκτρνίων λόγω φαινμένων αλληλεπίδρασης β 11
e Coulomb μεταξύ τυς. Στις κβαντικές τελείες, η μετάβαση ενός και μόνν επιπλέν ηλεκτρνίυ σε αυτές αρκεί για να αλλάξει δραματικά τις ιδιότητες πυ ισχύυν κατά τη μεταφρά, λόγω εμφάνισης της ενέργειας φόρτισης πυ συνδέεται άμεσα με αυτό τ επιπλέν ηλεκτρόνι. Βασικό φαινόμεν πυ εμφανίζεται είναι αυτό της «φραγής» Coulomb (Coulomb blockade) δηλαδή της παρεμπόδισης εισόδυ δεύτερυ ηλεκτρνίυ στ νανκρυσταλλίτη αν δεν αυξήσυμε την ενέργεια ώστε να ξεπεραστεί η ενέργεια φόρτισης [10]. 1..5. Φραγή Coulomb (Coulomb Blockade) Στις διατάξεις μνήμης πυ θα χρησιμπιήσυμε εκμεταλλευόμαστε τ φαινόμεν της ελεγχόμενης φόρτισης των νανκρυσταλλιτών με εφαρμγή κατάλληλης τάσης στην πύλη. Η πρόσθεση ενός επιπλέν ηλεκτρνίυ σε ένα νανκρυσταλλίτη έχει σαν απτέλεσμα την επανακαννικπίηση των ενεργειακών σταθμών στν νανκρυσταλλίτη, λόγω της διαφρπίησης τυ εσωτερικύ πεδίυ Coulomb. Ας θεωρήσυμε την γενική περίπτωση μιας κβαντικής τελείας ημιαγωγύ (νανκρυσταλλίτης) η πία συνδυάζεται με απθήκες ηλεκτρνίων μέσω φραγμών δυναμικύ, όπως φαίνεται στ σχήμα 8. πύλη ελέγχυ πηγή απαγωγός Σχήμα 8: Σχηματικό διάγραμμα ελεγχόμενης μεταφράς ηλεκτρνίων από την πηγή στν απαγωγό δια μέσυ μιας κβαντικής τελείας Ο αριθμός των ηλεκτρνίων σε μια τέτια τελεία μπρεί να θεωρηθεί ως σταθερός όταν τ περιθώρι τυ χρόνυ ζωής h/τ των ελεύθερων φρέων είναι πλύ μικρότερ από την ενέργεια φόρτισης Coulomb [9,10] η πία δίνεται από την σχέση: EBcB= - (0) C όπυ C η συνλική χωρητικότητα τυ νανκρυσταλλίτη. Αντικαθιστώντας τ χρόν ζωής των ηλεκτρνίων στην κβαντική τελεία με ένα ενεργό χρόν RC, η απαίτηση πυ έχυμε να ισχύει η σχέση ΕBcB>>h/τ μπρεί να δώσει την τιμή της αντίστασης ως μέτρ σύζευξης της κβαντικής τελείας με τις απθήκες ηλεκτρνίων: R» h/e ~ 6ΚΩ (1) Η τιμή αυτή απτελεί τ κβάντ αντίστασης και είναι η ελάχιστη αντίσταση για να έχυμε απσύζευξη τυ πεδίυ στν νανκρυσταλλίτη από τ πεδί στις απθήκες ηλεκτρνίων. Για να παρατηρήσυμε φαινόμενα ενός ηλεκτρνίυ είναι λιπόν απαραίτητ να απχωρίσυμε την κβαντική τελεία από τις απθήκες ηλεκτρνίων με 1
είναι σε υψηλότερη φράγματα σήραγγας πυ έχυν αντίσταση υψηλότερη από τ κβάντ αντίστασης [11]. Διέλευση ηλεκτρνίων λόγω φαινμένυ σήραγγας (tunneling) από την πηγή πρς τν νανκρυσταλλίτη μπρεί να συμβεί, όταν η ενεργειακή στάθμη ΕBS Bπυ βρίσκνται ι φρείς στην πηγή ικανπιεί την συνθήκη [8,10] ΕBS B ΕBΝ B() όπυ ΕBΝB η ενεργειακή στάθμη μέσα στ νανκρυσταλλίτη. Όταν φρτιστεί νανκρυσταλλίτης με ένα ηλεκτρόνι, η ηλεκτρστατική τυ ενέργεια αυξάνεται κατά τ πσό της ενέργειας φόρτισης και η διέλευση λόγω φαινμένυ σήραγγας πρς την κβαντική τελεία περιρίζεται από την απωστική δύναμη τυ πεδίυ Coulomb πυ φείλεται στην ύπαρξη τυ ηλεκτρνίυ αυτύ στν νανκρυσταλλίτη (Σχήμα 9). Έτσι δεν θα μπει άλλ ηλεκτρόνι στν νανκρυσταλλίτη, αν η ενέργεια φόρτισης πυ απαιτείται να καλύψει είναι μεγαλύτερη από την θερμική ενέργεια KT. Αυτή η ενέργεια φόρτισης δρα σαν ένας ενεργειακός φραγμός για τα ηλεκτρόνια με απτέλεσμα να παρεμπδίζεται η μεταφρά τυς αν δεν αυξηθεί η εφαρμζόμενη τάση. Τ φαινόμεν της φραγής Coulomb μπρεί να αρθεί αν τα ηλεκτρόνια στην πηγή έρθυν σε ενέργεια EBcB από την ενέργεια ηλεκτρνίων στην κβαντική τελεία. Αυτό μπρεί να επιτευχθεί αλλάζντας τ δυναμικό της τελείας εφαρμόζντας τάση πύλης VBGB σχέση με τ δυναμικό της πηγής μεγαλύτερη από μια τάση κατωφλίυ VBcB. Έτσι με τ δυναμικό της πύλης μπρύμε να ελέγξυμε την ρή των ηλεκτρνίων από και πρς τ νανκρυσταλλίτη ένα πρς ένα. α) Χωρίς πόλωση β) Με πόλωση γ) «Φραγή» Coulomb Ενέργεια φόρτισης Σχήμα 9: (α) Αν δεν έχυμε ευθυγράμμιση των ενεργειακών σταθμών της πηγής με την ενεργειακή στάθμη μέσα στν νανκρυσταλλίτη δεν μπρύμε να έχυμε μεταφρά φρέων (χωρίς πόλωση) πρς τν νανκρυσταλλίτη.(β) Μόν όταν η ενεργειακή στάθμη της πηγής ευθυγραμμιστεί με τ ενεργειακό επίπεδ τυ νανκρυσταλλίτη έχυμε ρή ενός ηλεκτρνίυ (με πόλωση) πρς τν νανκρυσταλλίτη. (γ) «Φραγή» Coulomb σε ένα τρανζίστρ ενός ηλεκτρνίυ λόγω ενέργειας φόρτισης EBcB. 1.3. Συμπεράσματα Λόγω των κβαντικών φαινμένων πυ εμφανίζνται στα χαμηλδιάστατα συστήματα, όπως είναι τ φαινόμεν τυ κβαντικύ εντπισμύ, τ φαινόμεν σήραγγας και τ φαινόμεν της φραγής Coulomb, μπρύμε να πετύχυμε ελεγχόμενη φόρτιση τυ ενσωματωμένυ στρώματς νανκρυσταλλιτών πυριτίυ με μικρό αριθμό ηλεκτρνίων εφαρμόζντας χαμηλές τιμές τάσης στην πύλη. Οι ιδιότητες αυτές δίνυν τη δυνατότητα να χρησιμπιηθύν τέτιες χαμηλδιάστατες δμές, όπως θα δύμε στη συνέχεια, σε διατάξεις μνήμης. 13
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Κβαντμηχανική, Στεφ. Τραχανάς, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης(1985). A.G. Nassiopoulou, Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology, 004 vol. 9 (793-813) 3. The hysics of Low-Dimensional Semiconductors, John Davies, Cambridge University ress(1998) 4. Low-Dimensional Semiconductors, Materials, hysics, Technology, Devices, M. J. Kelly, Oxford University ress (1996) 5. Y.Niquet, C. Delerue, G.Allan and M. Lamnoo, hys. Rev. B, 6 (000)5109 6. A. Thean and J. Leburton, IEEE Trans. Electron Dev.,(001)148 7. N. Quang, T. Trung, J. See,. Dollfus, Cond. Matter (003) 8. Transport in Nanostructures, David Ferry and Stephen Goodnick, Cambridge University ress (000) 9. Single-electron Devices, Haroon Ahmed, Kazuo Nakazato, Microelectronic Engineering 3 (1996) 97-315 10. Coulomb Blockade in Silicon Nanostructures-Review, A.T. Tilke, F.C. Simmel, R.H. Blick, H. Lorenz, J.. Kotthaus, rogress in Quantum Electronics 5 (001) 97-138 11. K. Likharev, roceedings of the IEEE, vol. 87,No 4,1999 1. E. Kapetanakis,. Normand, D. Tsoukalas, K. Beltsios, J. Stoemenos, S. Zhang, and J. van den Berg, Appl. hys. Lett. 77, 3450-345 (000) 13. D.Kouvatsos, V. Ioannou-Sougleridis and A. Nassiopoulou, Appl hys Lett 8 (3) 397-399 ( 003) 14. H. Hanafi, S. Tiwari, and I. Khan, L. Shi, IEEE Trans. Electron Devices 43,1553 (1996) 15. T. Maeda, E. Suzuki, I. Sakata, M. Yamanaka, and K. Ishii, Nanotechnology, 10, 17(1999) 16. A.G.Nassiopoulou, S. Grigoropoulos,E. Gogolides, and D. apadimitriou, Appl. hys. Lett. 66, 1114(1995) 17. D. apadimitriou and A.G.Nassiopoulou, J. Appl. hys84, 1059(1998) 18.. Normand, Κ. Beltsios, E. Kapetanakis, D. Tsoukalas, A. Travlos, J. Stoimenos, J. Van den Berg, S. Zhang, C. Vieu, H. Launois, J. Gautier, F. Jourdan, and L. alem, Nucl. Instrum. Methods hys. Res. Sect. B 178, 74 (001) 19. V. Ioannou-Sougleridis, V.Tsakiri, A.G.Nassiopoulou, F. Bassani, S. Menard, F. Arnaud d Avitaya, Mater. Sci. and Engin. B69-70 (000) 309-313 0.. hotopoulos, A. G. Nassiopoulou and D. N. Kouvatsos, Appl. hys. Lett., 76 (4), 3588-3590 (000) 1. V. Ioannou-Sougleridis, T.Ouisse, A.G.Nassiopoulou, F. Bassani, F. Arnaud d Avitaya,, J. Appl. hys. 89 (001) 610. B.J. van Wees et al,hys. Rev. Lett. 60,848 (1998) 3. B. Delley, E.F. Steigmeier,.Appl. hys.lett. 67,370 (1995) 4. X.Zianni, A.G. Nassiopoulou Optical properties of Si quantum wires and dots, Handbook of theoretical and computational Nanotechnology, American Scientific ublishers (to be published ( March 005) 5. L.W. Wang and A. Zunger, J.hys.Chem. 98, 159 (1994) 6. L.Jacak,. Hawrylak, A. Wojs, Quantum Dots, Springer (1997) 14
. ΚΕΦΑΛΑΙΟ o: ΜΝΗΜΕΣ ΝΑΝΟΚΡΥΣΤΑΛΛΙΤΩΝ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ Στo κεφάλαιo πυ ακλυθεί θα αναφερθύμε στις σημερινές διατάξεις μη πτητικών μνημών (Νon-volatile) ανάγνωσης εγγραφής και πι συγκεκριμένα στις συμβατικές μνήμες τύπυ MOSFET αιωρύμενης πύλης (Floating gate τρανζίστρ). Επίσης θα αναφερθύμε στις μνήμες νανκρυσταλλιτών ημιαγωγών και θα δώσυμε στιχεία για τις μέχρι τώρα επιτευχθείσες επιδόσεις τυς. Οι ημιαγωγικές μνήμες για την απθήκευση δεδμένων στα υπλγιστικά συστήματα, όπως έχυν εξελιχθεί τεχνλγικά μέχρι σήμερα, παρυσιάζυν συγκριτικό πλενέκτημα όσν αφρά τ κόστς και τις επιδόσεις τυς, συγκρινόμενες με άλλυς τρόπυς απθήκευσης. Ένας τρόπς ταξινόμησης των ημιαγωγικών μνημών είναι με βάση τ μηχανισμό απθήκευσης και την αρχή λειτυργίας τυς [1]. Μια διάκριση γίνεται ανάμεσα στις μνήμες μόν ανάγνωσης (read only memory-rom) και στις μνήμες ανάγνωσηςεγγραφής (read-write memory RWM ή random access memory RAM). UΠΙΝΑΚΑΣ Ι ΠΤΗΤΙΚΕΣ ΜΗ ΠΤΗΤΙΚΕΣ μνήμες ανάγνωσης- Μη πτητικές NVRWM Μνήμες μόν ανάγνωσης εγγραφής (RWM ή RAM) (ROM) Στατικές (SRAM) EROM Πργραμματιζόμενες κατά Δυναμικές (DRAM) EEROM FLASH την κατασκευή τυς (ROM) Στις μνήμες RAM η απθήκευση της πληρφρίας γίνεται είτε με ακλυθιακά κυκλώματα flip-flop είτε με τη μρφή φρτίυ σε πυκνωτή. Οι μνήμες αυτές χωρίζνται σε στατικές (SRAM- static random access memory) και σε δυναμικές (DRAM-dynamic random access memory). Στις στατικές η πληρφρία διατηρείται απθηκευμένη μόν κατά τη διάρκεια πυ εφαρμόζεται εξωτερική τάση. Έχυν τ μικρότερ χρόν πρόσβασης για ανάγνωση (<5 ns) αλλά σχετικά μεγάλυ μεγέθυς κύτταρ μνήμης [7]. Οι δυναμικές μνήμες χρειάζνται περιδικά (συχνότερα από μια φρά τ δευτερόλεπτ) ανανέωση της πληρφρίας για να αντισταθμιστεί η απώλεια φρτίυ πυ πρκαλείται από διαρρή. Έχυν μικρύ μεγέθυς κύτταρ μνήμης καθώς και σχετικά μικρό χρόν πρόσβασης για ανάγνωση της πληρφρίας (<0 ns) [5,6]. Οι μνήμες RAM ανήκυν στην κατηγρία των πτητικών μνημών (volatile) γιατί χάνυν την πληρφρία όταν δεν τρφδτύνται με τάση. Οι μνήμες ROM από την άλλη, ανήκυν στην κατηγρία των μη πτητικών μνημών (nonvolatile). Απσύνδεση της τάσης τρφδσίας δεν δηγεί σε απώλεια της απθηκευμένης πληρφρίας, όμως δεν δίνυν τη δυνατότητα τρππίησης, αλλά μόν ανάγνωσής της. Αυτό γίνεται επειδή κωδικπιύν την πληρφρία ενσωματώνντάς την στην τπλγία τυ κυκλώματς κατά την κατασκευή τυς, για παράδειγμα πρσθέτντας ή αφαιρώντας διόδυς ή τρανζίστρς. Η πρσπάθεια να κατασκευαστύν μνήμες πυ να έχυν τόσ την δυνατότητα της μη πτητικότητας, όσ και την δυνατότητα ανάγνωσης-εγγραφής, δήγησε σε άλλη κατηγρία μνημών, αντιπρόσωπι της πίας είναι ι διαγραφόμενες πργραμματιζόμενες ROM μνήμες (erasable programmable ROM-EROM) και ι ηλεκτρικά διαγραφόμενες πργραμματιζόμενες ROM μνήμες (electrically erasable programmable ROM-EEROM). Πι αναλυτικά σ αυτές τις μη πτητικές μνήμες 15
τρανζίστρς (NVM), ι πίες στηρίζνται σε διατάξεις MOSFET αιωρύμενης πύλης (FGfloating gate), γράφυμε τα δεδμένα με ηλεκτρικό τρόπ (5-10μsec/word) και δεν απαιτείται καθόλυ τάση για την διατήρησή τυς (retention). Η διάκρισή τυς γίνεται ανάλγα με τν τρόπ πυ διαγράφνται τα δεδμένα τυς. Στις πρώτες η πληρφρία διαγράφεται αργά (από δευτερόλεπτα μέχρι μερικά λεπτά) με υπεριώδη ακτινβλία (ultra violet-uv erasable ROM ) με τ μεινέκτημα ότι χρειάζεται να απσυνδεθεί η μνήμη από τ κύκλωμα. Στις δεύτερες η διαγραφή γίνεται με ηλεκτρικό τρόπ (EEROM). Επειδή περιέχει και δεύτερ τρανζίστρ έχει μεγαλύτερυ μεγέθυς κύτταρ μνήμης από τις πρηγύμενες [5]. Από τις EEROM ι πι σημαντικές είναι ι Flash EEROM στις πίες η διαγραφή των δεδμένων γίνεται με πι μεγάλη ταχύτητα γιατί διαγράφνται τα δεδμένα όχι μόν ενός κελιύ μνήμης αλλά ταυτόχρνα ενός λόκληρυ τμέα (sector) θέσεων μνήμης. Στις μνήμες αυτές έχυμε μικρύ μεγέθυς κύτταρ μνήμης, δεν απαιτείται ανανέωση της πληρφρίας, αλλά έχει μεγάλυς χρόνυς πρόσβασης για ανάγνωση (~50ns) και ακόμα μεγαλύτερυς χρόνυς εγγραφής/διαγραφής (1μs/10ms). Τα επιθυμητά χαρακτηριστικά των ιδανικών μη πτητικών μνημών είναι τ χαμηλό κόστς, η μη πτητικότητα, η ικανότητα να διατηρύν τα δεδμένα χωρίς την εφαρμγή εξωτερικής τάσης, (διατήρηση τυ φρτίυ για πάνω από 10 χρόνια), η λειτυργία σε υψηλή ταχύτητα, η εξασφάλιση της δυνατότητας υψηλής πυκνότητας λκλήρωσης, ι χαμηλές απαιτήσεις σε κατανάλωση ισχύς, εύκλς έλεγχς, η υψηλή αξιπιστία και η συμβατότητα με τις καθιερωμένες βιμηχανικές τεχνικές κατασκευής. Συνπτικά η εξέλιξη των σημαντικότερων τεχνικών κατασκευής μνημών την τελευταία 30ετία φαίνεται στν πίνακα πυ ακλυθεί []: UΠΙΝΑΚΑΣ ΙΙ Έτς τεχνλγία εταιρεία χωρητικότητα ταχύτητα Σχόλια κατασκευής 1968 Διπλικό τρανζίστρ, λκληρωμέν κύκλωμα 1971 Διπλικό τρανζίστρ, κύρια μνήμη IBM μνήμη buffer S360/M85,M5 IBM κύρια μνήμη S370, M145 1973 MOSFET IBM κύρια μνήμη S370/M158, M168 64bits/chip 60 nsec/ cycle 18bits/chip 540 nsec/ cycle Πρώτη φρά σε μαζική παραγωγή μνήμη σε λκληρωμέν κύκλωμα Πρώτη φρά κύρια μνήμη σε λκληρωμέν κύκλωμα 104 bits/chip Πρώτη φρά σε μαζική παραγωγή μνήμη MOS 1985 Μνήμη FLASH TOSHIBA 56 Kbits/chip Πρωτεμφανιζόμενη στ εμπόρι μνήμη FLASH 003 Μνήμη MOTOROLA 4Mbits/chip Πρωτότυπ (όχι νανκρυσταλλιτών σε εμπρικό πριόν) πρωτότυπ Εξ αιτίας των πλενεκτημάτων πυ παρυσιάζει η τεχνλγία MOS και των δυναττήτων πυ δίνει όσν αφρά την κατασκευή και την σμίκρυνση των 7 διαστάσεων των διατάξεων, τα περισσότερα VLSI (>10 ανά chip) κυκλώματα μνήμης φτιάχννται σήμερα με μνήμες τεχνλγίας MOS. Τ πι σημαντικό δμικό στιχεί της τεχνλγίας μνημών MOS είναι τ MOSFET τρανζίστρ (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) (Σχήμα 1). 16
Μέταλλ πύλης SiOB n+ πηγή n+ απαγωγός υπόστρωμα Si p- τύπυ Σχήμα 1: n-καναλιύ MOSFET Τ MOSFET τρανζίστρ n-καναλιύ κατασκευάζεται σε υπόστρωμα πυριτίυ p- τύπυ. Η βασική δμή είναι μια χωρητικότητα MOS (μέταλλ πύλης- ξείδι- + ημιαγωγός) ενώ η πηγή και απαγωγός είναι n -τύπυ. Όταν εφαρμστεί θετική τάση στην πύλη, δημιυργείται ένα ηλεκτρικό πεδί δια μέσυ τυ διηλεκτρικύ και τ πί έλκει τα ηλεκτρόνια τυ υπστρώματς πρς την διεπιφάνεια μεταξύ ξειδίυ και υπστρώματς. Έτσι για τάσεις στην πύλη μεγαλύτερες της τάσης κατωφλίυ έχυμε την δημιυργία ενός πλύ λεπτύ στρώματς από φρείς μεινότητας, τυ στρώματς αντιστρφής, δια μέσω τυ πίυ γίνεται, η αγωγιμότητα της διάταξης (κανάλι) υπό την επίδραση ριζόντιυ πεδίυ μεταξύ πηγής και απαγωγύ [1]. Σε μια μη πτητική (non-volatile) μνήμη, χρησιμπιύμε τρανζίστρ MOSFET τυ πίυ η τάση κατωφλίυ δεν έχει σταθερή τιμή αλλά μετατπίζεται όταν απθηκευτεί φρτί στην πύλη. Η απθήκευση γίνεται με εφαρμγή αντίστιχυ πεδίυ υπό μρφή παλμών. Αυτή η τιμή της τάσης κατωφλίυ διατηρείται και όταν ακόμα αφαιρεθεί τ πεδί..1. Μη πτητικές μνήμες αιωρύμενης πύλης πλυκρυσταλλικύ πυριτίυ (Floating gate τρανζίστρ) Οι μνήμες MOSFET αιωρύμενης πύλης (Σχήμα ) απτελύν τη βάση κάθε σύγχρνης μη πτητικής μνήμης και παρυσιάζυν καλή αξιπιστία για πλλαπλύς κύκλυς εγγραφών. Η δμή τυς είναι ίδια με τα MOSFET με την μόνη διαφρά ότι διαθέτυν ένα επιπλέν αγώγιμ στρώμα πλυκρυσταλλικύ πυριτίυ ανάμεσα στ ξείδι της πύλης. Αυτό τ στρώμα επειδή δεν συνδέεται ηλεκτρικά με τίπτα άλλ, νμάζεται αιωρύμενη πύλη. Τα διηλεκτρικά πάνω και κάτω από αυτό τ στρώμα είναι συνήθως ξείδια Si και απκαλύνται διηλεκτρικό ελέγχυ και ξείδι σήραγγας αντίστιχα. 17