Исследование ловушек и электронного транспорта в оксидокремниевых композитах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.10, кандидат физико-математических наук Григорьев, Леонид Владимирович

• Григорьев, Леонид Владимирович
• кандидат физико-математических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Григорьев, Леонид Владимирович

Введение.

Глава1 Элементарная теория электрофизических процессов протекающих в оксидокремниевых композитах.

I ^ I

§1.1 Распределение электрических полей в неупорядоченном, неоднородном композиционном материала со случайными дефектами.

§ 1.2. Элементарная теория токов термостимулированной проводимости и термостимулированной деполяризации в высокоомных неупорядоченных материалах.

§1.3 Элементарная теория прыжкового транспорта в оксидокремниевом композите.

§ 1.4 Элементарная теория туннельного переноса носителей заряда в гетерогенных системах.

§1.5 Элементарная теория переходных инжекционных токов в твердом теле.

§1.6 Токи в диэлектриках, ограниченные пространственным зарядом.

Выводы к главе 1.

Глава 2 Разработка новых методик численной обработки данных термоактивационной токовой спектроскопии.

§2.1.Численное восстановление энергетического спектра по кривой термостимулированного тока, измеренного в режиме произвольной скорости нагревания.

§ 2.2. Численное восстановление функции распределения электрически активных дефектов по частотному фактору.

§2.3. Исследование устойчивости численного восстановления энергетического спектра по кривой термоактивационного тока.

§2.3. Гибридный способ восстановления двумерной кривой функции распределения по энергии активации и но частотному фактору.

Выводы к главе 2.

Глава 3 Описание технологии приготовления образцов и экспериментальных установок для исследования токопереноса в оксидокремниевом композите.

§3.1 Технология приготовления образцов окисленного пористого кремния.

§3.2 Технология приготовления образцов окисленного микропорошка кремния.

§3.3 Установка для исследования статических В АХ в высокоомном композите.

§3.4 Установка для исследования термостимулированных процессов в оксидокремниевом композите.

§3.5 Установка для исследования переходных инжекционных токов в оксидокремниевом композите.

Выводы к главе 3.

Глава 4 Исследование структурных и транспортных свойств термически окисленного нанопористого кремния.

§4.1 Токи термостимулированной проводимости термически окисленного нанопористого кремния.

§4.2 Исследование стационарных ВАХ.

§4.3 Переходные токи в термически окисленном нанопористом кремнии.

§4.4 Обсуждение природы дефектов и модель переноса носителей заряда в термически окисленном пористом кремнии.

Выводы к главе 4.

Глава 5 Исследование структурных и транспортных свойств термически окисленного мезапористого кремния.

§5.1 Структура термически окисленного мезапористого кремния.

§5.2 Токи термостимулированной проводимости термически окисленного мезапористого кремния.

§5.3 Исследование стационарных ВАХ.

§5.4 Переходные токи в термически окисленном мезапористом кремнии.

§5.5 Обсуждение природы дефектов и модель переноса носителей заряда в термически окисленном мезапористом кремнии.

Выводы к главе 5.

Глава 6 Исследование структурных и транспортных свойств термически окисленного микропорошка кремния.

§6.1 Структура термически окисленного микропорошка кремния.

§6.2 Токи термостимулированной проводимости термически окисленной микропорошковой кремниевой композиции.

§6.3 Исследование стационарных ВАХ.

§6.4 Переходные токи в термически окисленной микропорошковой кремниевой композиции.

§6.5 Обсуждение природы дефектов и модель переноса носителей заряда в термически окисленном микропорошке кремния.

Выводы к главе 6.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование ловушек и электронного транспорта в оксидокремниевых композитах»

Актуальность проблемы.

В последнее время возрос интерес к созданию малогабаритных тепловизионных камер и инфракрасных (ИК) приемных устройств, в которых в качестве чувствительного элемента используются матрицы из неохлаждаемых тепловых приемников излучения (ТПИ). К ТПИ относят термопары и болометры, оптико-акустические и пироэлектрические приемники. Наиболее просты в изготовлении и поэтому широко распространены матричные микроболометрические пироэлектрические ИК-приемники. В настоящее время активно создаются матрицы ТПИ по технологии микроэлектромеханических систем (MEMS), позволяющие достичь параметров (по чувствительности, быстродействию и шумам), близких к теоретическому пределу для неохлаждаемых ТПИ.

Конструктивно ТПИ состоит из тонких чувствительного и поглощающего слоев. Основным преимуществом таких приемников излучения является то, что они работают без системы криогенного охлаждения, что существенно уменьшает его вес и стоимость, упрощает построение ИК приемного модуля и, в конечном счете, приводит к более надежной работе всего приемного модуля в целом. В отличие от фотонных приемников излучения ТПИ не имеют границы длинноволновой чувствительности.

Тем не менее, наличие нескольких слоев в ТПИ существенно ухудшает его теплофизические свойства. Это обстоятельство, прежде всего, выражается в увеличении теплоемкости и приводит к увеличению инерционности отклика прибора на его основе. В этой связи, весьма перспективной является разработка новых композиционных материалов, совмещающих в себе функции поглощающего и термочувствительного слоев, а также совместимых с существующей кремниевой технологией в микроэлектронике. Такими материалами могут являться неоднородные металлодиэлектрические пленки. Такие металлодиэлектрические пленки обладают высоким коэффициентом поглощения в ИК-области и повышенным, по сравнению с металлическими пленками, значением ТКС, что позволяет осуществить с помощью одного слоя поглощение ИК-излучения и формирование ^ ' электрического сигнала. Однако работы по созданию металлодиэлектрических материалов V! пока еще не вышли за рамки лабораторных исследований. Кроме того, при попытках использования металлодиэлектрических пленок возникает проблема состыковки ТПИ и усилительного модуля, как правило, изготовленного по кремниевой технологии.

С нашей точки зрения, более перспективными материалами для создания неохлаждаемых ТПИ могут быть оксидокремниевые композиты, которые могут быть получены путем окисления либо слоя пористого кремния, либо микропорошка кремния. В этом случае может быть достигнута их совместимость с существующей кремниевой технологией в микроэлектронике. При использовании оксидокремниевого композита обеспечивается больший ТКС по сравнению с металлодиэлектрическими композициями. Однако нам неизвестны публикации, в которых бы подробно исследовались электрофизические свойства оксидокремниевых композитов, по которым можно судить о возможностях их применения в ТПИ.

Таким образом, исследования электрофизических свойств оксидокремниевых композитов, определяющих их возможности использования в ТПИ, является актуальной задачей, особенно в связи с возрастающей ролью матриц неохлаждаемых ТПИ в микроминиатюрном исполнении. При этом одним из основных процессов, определяющих рабочие свойства ТПИ, является процесс токопереноса, в котором основополагающую роль играют процессы захвата, рекомбинации носителей заряда с участием ловушек как центров захвата.

Целью диссертационной работы являлось установление основных закономерностей переноса носителей заряда, а также выяснение природы ловушек и механизма их участия в процессах переноса носителей заряда, как в окисленном микропорошке кремния, так и в окисленном пористом кремнии при вариации в широких пределах степени пористости и морфологии пор в исходном пористом кремнии.

В этой связи, основными задачами работы являлись:

1. Разработка программно-аппаратного комплекса для исследования термостимулированных и фотостимулированных процессов в неупорядоченных низкоразмерных системах с целью получения данных о свободных и локализованных носителях заряда, а также термически и фотоактивируемых центрах захвата носителей заряда (ловушках).

2. Исследование параметров ловушек в оксидокремниевых композитах (гетерогенных композициях Si-SiC>2), включающих энергию активации, концентрацию, сечения захвата и частотный фактор ловушек, которые оказывают существенное влияние на процессы токопереноса.

3. Выяснение закономерностей переноса носителей заряда в оксидокремниевых композитах различной морфологии, полученных по методам различных технологий формирования окисленного пористого кремния и окисленного микропорошка кремния.

Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения.

Заключение диссертации по теме «Физика полупроводников», Григорьев, Леонид Владимирович

Основные результаты и выводы диссертации.

1. Разработан программно-аппаратный комплекс для исследования термостимулированных и фотостимулированных процессов в неупорядоченных низкоразмерных системах с целью получения данных о свободных и локализованных носителях заряда, а также термически и фотоактивируемых центрах захвата носителей заряда.

2. Предложен способ получения оксидокремниевых композитов на основе матрицы SiC>2 с включениями нанокластеров кремния различной концентрации и размеров. Вариации числа и размеров нанокластеров кремния достигались путем^ использования различных исходных материалов и их последующей обработке.

3. На основе электронномикроскопическеских исследований получены данные о числе и размерах нанокластеров кремния в исследуемых структурах. Размеры нанокластеров лежат в диапазоне от 5 нм до 350 нм.

4. На основании данных о размерах кластеров Si сделано предположение об относительной протяженности границ Si-SiC>2 в исследуемых структурах играющее важную роль в формировании их электрофизических свойствах. В соответствии в полученными данными наибольшая протяженность границ характерна для термически окисленного мезапористого кремния, а наименьшая для термически окисленного микропорошка кремния.

5. Показано, что все исследуемые структуры имеют высокую плотность ловушек, характерную для аморфной Si02j которая составляет от 1019 до Ю20(см"3). Это позволяет сделать вывод, что основу ловушек составляют оборванные связи Si-O в объеме SiC>2 и свидетельствует о том, что ограничение переноса носителей заряда происходит в диэлектрических прослойках из аморфной SiC>2.

6. Установлено, что значительное количество дополнительных ловушек образуется в результате разрывов связей Si-Она межфазовой границе (МФГ) Si-SiCb- Об этом свидетельствует то факт, что наименьшая концентрация ловушек наблюдается в термически окисленном микропорошке кремния, имеющем наименьшую протяженность МФГ Si-Si02. В тоже время наибольшая плотность ловушек отмечена в структурах термически окисленного мезапористого кремния, для которого характерна наибольшая протяженность МФГ Si-Si02

7. Показано, что во всех типах структур присутствуют ловушки с большим разбросом энергии активации от 0.15 эВ до 1.5 эВ. При этом отсутствует четкая корреляция между значениями энергии активации и типом исследуемой структуры. Вместе с тем, можно отметить явное соответствие между типом структуры и значениями частотного фактора ловушек. Это соответствие заключается в том, что существенно меньшие значения частотного фактора (на порядок меньшие) наблюдаются для ловушек преобладающих в термически окисленном мезапористом кремнии. Это также, в меньшей степени, характерно для структур содержащих термически окисленный нанопористый кремний. При этом в первом случае, понижение частотного фактора характерно для ловушек с энергиями активации в диапазоне от 0.15эВ до 0.6 эВ. Во втором случае, это относится к ловушкам с энергией активации от 1.3 эВ до 1.5 эВ. Такое изменение частотного фактора коррелирует с протяженностью МФГ Si-Si02. Это позволяет предположить, что подобное снижение частотного фактора характерно для ловушек связанных с оборванными связями Si-O на МФГ Si-Si02 и обусловлено иным характером атомного окружения для ловушек расположенных в объеме Si02 и на МФГ Si-Si02.

8. Установлено, что подвижность носителей зарядов в структурах на основе термически окисленного мезапористого кремния и термически окисленного нанопористого кремния имеют близкие значения по порядку величины и соответствуют подвижности наблюдаемой в аморфной Si02. В термически окисленном микропорошке кремния наблюдается наибольшая подвижность носителей заряда, превышающая на 3 порядка величину подвижности для аморфной Si02. Во всех исследуемых типах оксидокремниевых композитов перенос носителей заряда происходит с участием двух механизмов: туннелированию носителя через трапециевидный барьер и прыжковому переносу по системе локализованных состояний вблизи полуширины запрещенной зоны диэлектрика. В соответствие со значениями подвижности в аморфной S1O2, а также характером температурной зависимости проводимости в термически окисленном мезапористом кремнии и термически окисленном нанопористом кремнии преобладающим механизмом при температуре большей 256К и 262К является прыжковый механизм переноса по системе оборванных связей Si-O. В структурах с термически окисленным микропорошком кремния при температурах меньших 268К доминирующим механизмом переноса является туннельный перенос носителей заряда через прослойки Si02, что подтверждается высокими значениями эффективной подвижности носителей заряда и характером температурной зависимости проводимости. При этом основной причиной резкого увеличения эффективной подвижности носителей заряда и преобладания туннельного механизма является уменьшение разветвленности МФГ Si-Si02 и уменьшение толщин диэлектрических прослоек из Si02.

9. Показано, что, изменяя характер исходного материала, удается влиять на структуру композитов (количество и размеры нанокластеров кремния) и тем самым в широких пределах изменять электрофизические свойства композитов (концентрацию ловушек, эффективную подвижность носителей, энергию активации ловушек, частотный фактор ловушек). Это позволяет их использовать в различных областях микроэлектроники. Из полученных данных следует, что термически окисленный микропорошок кремния вследствие наличия у него наименьшей концентрации ловушек и имеющий наибольшую подвижность носителей заряда наиболее подходит для создания на его основе ИК микроболометров. Термически окисленный мезапористый кремний имея наибольшую концентрацию ловушек и наименьшую подвижность носителей заряда более пригоден для создания функциональных устройств электроники, использующих эффект памяти. Термически окисленный нанопористый кремний, имеющий концентрацию ловушек, сравнимую с nt в термически окисленном микропорошке кремния и эффективную подвижность носителей заряда меньшую почти на порядок наиболее подходит для использования его в качестве матрицы для внедрения в него активных диэлектриков. Это позволит создать на его основе оксидокремниевый композит с сегнетоэлектрическими свойствами.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Григорьев, Леонид Владимирович, 2008 год

1. Хребтов И.А., Маляров В.Г. // Оптический журнал, 1997,т.64, №6, с.3-17.

2. МаляровВ.Г., Хребтов И.Г., Зернов В.Ю., Куликов Ю.В., Шаганов И.И.// Прикладная физика, 2000, № 5, с. 62-69.

3. Liddiard К.С.// Infrared Phys,1996,vol.26,Nl,p.3-49.

4. Liddiard K.C, Unewiesse M.H., Reinhold 0.//Proc.SPIE 1994, vol. 2225, p.62-71.

5. Shepeliavyi P.E., Michailovskaya K.V., Indutnyi I.Z. // Intern. Conferences "Advansed Materials", Kiev, 1999, p.92.

6. Михайловская E.B., Индутный И.З., Шепелявый П.Е.// Журнал технической физики,2003,том 73,вып.2,стр.129-132.

7. Михеева О.П., Сидоров А.И. // Журнал технической физики, 2003, том 73,вып.5, стр.79-83.

8. Сканави Г.И., Физика диэлектриков, М.Гос. изд-во лит., 1958, т.2, с.830.

9. Вертопрахов В.Н., Сальман Е.Г. "Термостимулированные токи в неорганических веществах." Новосибирск, Наука, 1979, 336 с.

10. Гороховатский Ю.А., Бордовский Г.А., "Термостимулированная токовая спектроскопия высокоомных полупроводников и диэлектриков", М., Наука, 1991г., 248с.

11. Jonsher А.К., Walley Р.А. //J.Non.-Cryst.Solids,1969,v.l,p.662-669.

12. Pike G.E. //Phys.Rev.B.,1972,v.6,№ 4, p.1572-1580.

13. Iglis G.B., Williams F.,//J.Non.-Cryst.Solids,1971, v.5,p.313-327.

14. Shante V.K.//Phys.Letters,1973,v.43A,№3,p.249-251.

15. Корзо В.Ф., Дроздов В.А., Лященко Г.Н., Дроздов. М.А.// ИСЛ №002141,1971,с.1-6.

16. Лященко Г.А., //Изв.Вузов СССР.Физика,1972,№5,с161-163.

17. В.Ф.Корзо, В.Н. Черняев, «Диэлектрические пленки в микроэлектронике», М., Энергия, 1977, с.367.

18. Muller R.S.//Solid State Electronics,1963,v.6,№l,p.25.

19. Lampert M.A.// Phys.Rev.,1956,v.l03,№6,p.l648.

20. Мотт Н.,Дэвис Э.,Электронные процессы внекристаллических веществах. М.,Мир,1974,с.472

21. Шкловский Б.И.,Эфрос A.JL, «Электронные свойства легированных полупроводников.» М., Наука, 1979,с.416

22. Аморфные полупроводники: пер.с анг. Под.ред. М.Бродски., М. Мир.,1982,с.419.

23. Hill R.M.//Phil.Mag.,1971,v.24, N192, р.1307-1325.

24. Шкловский Б.И.,Эфрос A.JI., Теория протекания и проводимость в сильно неоднородных средах // УФН,1975,т.117, вып.3,с.401-435.

25. Шкловский Б.И., ФТП, 1976,т.10,№10,с.1440-1448.

26. Шкловский Б.И., ФТП, 1979,т.13,вып.1,с.93-97.

27. Pollak М., Riess I.//J.Phys.C,1976,v.9,p.2339-2352.

28. Frenkel Y.I.//Phys.Rev.,1938,v.54,p.647-648.

29. Hill R.M. //Phil.Mag.,1971,v,23,N,181,p.59-86.

30. Hippel A.// J.Phys.Chem.,1955,v.30,№4,p.586-601.

31. Pollak M.,Pike G.E.//Thin Solid Films, 1968,v.2,p.457-466.

32. Sommerfeld A.,Bethe// Hadbuch der Physic,1933,s.450

33. Holm R.J.//J.Appl. Phys., 1951 ,v.22,№5,p569.

34. Simmons J.G.//J.Appl.Phys,l 963,v.34,№6,p. 1793

35. Simmons J.G.//J.Appl.Phys,1963,v.34,№9,p.2581

36. Stratton R.J.//Phys.Rev.,v. 136,№3a,p.837.

37. Иогансен Л.В.,ЖЭТФ,1963,т.45,вып.2(8),с.207

38. Иогансен Л.В.,ЖЭТФ,1964,т.47,вьт.1(7),с.270

39. Davis R.H., Hosak H.H.//J.Appl.Phys.,1963,v.34,№4,p.864.

40. Penley J.C.//Phys.Rev.,1962,v.l28,№2,p.596.

41. Ламперт M., Марк П. Инжекционные токи в твердых телах, М.,Мир,1973,с.411.

42. Тихонов А.Н. "Об устойчивости обратных задач" ДАН ССР 1943, т.39, №5, с.195-198

43. Тихонов А.Н. О решении непрерывно поставленных задач и о методе регуляризации", ДАН СССР 1963, т. 151, №3, с.501-504.

44. Тихонов А.Н. О решении непрерывно поставленных задач и о методе регуляризации", ДАН СССР 1963, т.153, №1,с.49-52.

45. Пшеничный Б.Н., Данилин Ю.М. "Численные методы в экстремальных задачах", М„ Наука, 1975г., 318с.46. .Аоки М."Введение в методы оптимизации", М., Наука, 1977г.

46. Поллак Э. "Численные методы оптимизации. Единый подход.", М., Мир, 1974

47. Гилязов С.Ю.Численные методы решения некорректных задач, М. Наука, 1989.с280

48. Тихонов А.Н., Гончарский А.В., Степанов В.В., Ягола А.Г. "Численные методы решения некорректных задач"

49. Гороховатский Ю.А., Григорьев JI.B.// Мат. Международной Научно-Технической конференции по электрической релаксации в высокоомных материалах «Релаксация-94»,СПб.,1994,с.60-61.

50. ReversA.G.//Phys.Stat.Solid,1980,v.57,p.235-243.

51. Nagi K.L.,White C.T.//J.Appl.Phys.,1981,v.52,#l,p.320-337.

52. O'Reilly E.P.//Phys.Rev.B.,1987,v.27,#6,p.3780-3795.

53. Hubner K.//J.Phys.C.,184,v.l7,p.6553-6559.

54. Pantelides S.T. "The physics of Si02 and its interfaces.", Percamon Press, New York, 1978,p.425.

55. А.П.Барабан, П.П Коноров, A.A. Кручинин./Юптоэлектроника и полупроводниковая техника, 1985, №7.

56. Вентер Е.Ф., Оптоэлектроника и полупроводниковая техника, Киев,2001,36.

57. Anderson P.W.//Phys.Rev.Lett.,1975,v.34,#15,p.953-955.

58. Lucovsky G.//Phil.Mag.,1979,v.39#6p.513-530

59. Lucovsky G.//J.Non.Cryst Sol.,1980,v.36,p.825-830.

60. Rafid M.A., Tsuchiya Y., Mizuta H.//Appl. Phys. Lett.,2005,87,182101.