Investigations of electronic properties of one-dimensional conductors using modern methods of electron beam lithography

Abstract

Данная дипломная работа посвящена исследованию дислокационной проводимости в кремнии. В качестве образцов для исследования выступали пластины кремния с регулярной дислокационной сеткой созданные по методу прямого сращивания. На сращенных пластинах кремния с помощью метода электронно-лучевой литографии были изготовлены структуры полевого транзистора без подзатворного диэлектрика. Непосредственные задачи этой работы заключались в отработке использования метода электронно-лучевой литографии для создания структур полевого транзистора, выборе оптимальной геометрии и структуры транзистора для выполнения поставленных исследовательских целей, а также в проведении измерений дислокационной проводимости с анализом полученных результатов. Для базовой 2х-контактной модели транзистора были проведены измерения вольт-амперных характеристик сток/исток - базовый электрод и комплексной проводимости сток-исток в интервале частот 80-4100 Гц в зависимости от напряжения на базовом электроде в интервале температур 20-300К. Установлено, что при низких температурах мнимая часть компоненты проводимости (емкость) на частоте 80 Гц возрастает с ростом напряжения на базовом электроде и испытывает насыщение, что объясняется вкладом обмена электронами между квазинейтральной областью полупроводника и электронными состояниями дислокационной сетки. На производных зависимости действительной компоненты проводимости исток-сток по напряжению на базовом электроде обнаружены особенности (ступеньки) с периодом по напряжению на базовом электроде около 100 мВ, величина которого хорошо согласуется с данными, ранее полученными на других структурах полевых транзисторов на основе сращенных пластин кремния, которые были интерпретированы как проявления квазиодномерного характера проводимости по дислокациям. Также было установлено, что в случае 3х-контактной модели происходит пробой с образованием металлических перемычек между затвором и истоком/стоком. Выдвинуто предположение, что явление межэлектродного пробоя, обусловлено проводимостью по поверхности кремния в условиях больших значений электрического поля в узком 300 нм, зазоре между электродами. Предложено в последующих исследованиях разработать методику нанесения на поверхность структур диэлектрика.

This bachelor thesis is devoted to the investigation of dislocation-related conductivity in silicon. Samples under investigations were the silicon wafers containing a regular dislocation network prepared by silicon wafer direct bonding method. Using the method of electron beam lithography, the structures of a MESFET field-effect transistor were fabricated on the front surface of bonded samples. Aim of the present work consisted in the development of the electron beam lithography procedure for field-effect transistor creation, selecting the structure and geometry of the transistor most suitable for the research goals, as well as in carrying out the conductivity measurements together with the analysis of the obtained results. For basic 2-contacts transistor model the current-voltage characteristics were measured between drain / source-electrode and substrate, whereas the complex conductivity curves were measured between drain and source electrodes as a function of a substrate voltage in the frequency range 80-4100 Hz. All measurements were performed in the temperature range 20-300 K. At low temperatures it was found that the imaginary part of the conductivity component (capacitance) at a frequency of 80 Hz increases with increase of the substrate voltage and finally saturates, what was explained by the contribution of electron exchange between the quasineutral semiconductor region and the electronic states of the dislocation network. Derivatives of the real part of source-drain conductivity component on the substrate voltage showed step-like features with the substrate voltage period of about 100 mV. This value agrees well with that obtained previously on similar kind of FETs prepared on bonded wafers and that have been interpreted as a sign of quasi-one-dimensional nature of conductivity along the dislocation networks. For the case of a 3-contacts transistor model a breakdown leading to the creation of metal bridges between the gate and the source / drain electrodes was occurred. It was supposed that the interelectrode breakdown is caused by the surface conductivity under conditions of large electric field in a narrow 300 nm gap between the electrodes. It is suggested for the future measurements to develop the way of surface covering by dielectric material.