Стеблова Ольга Вікторівна. ЕЛЕКТРОННИЙ ТРАНСПОРТ ТА ЕЛЕКТРОННА ПОЛЬОВА ЕМІСІЯ З НАНОКОМПОЗИТНИХ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ СТРУКТУР

Короткий опис

Стеблова Ольга Вікторівна. Назва дисертаційної роботи: "ЕЛЕКТРОННИЙ ТРАНСПОРТ ТА ЕЛЕКТРОННА ПОЛЬОВА ЕМІСІЯ З НАНОКОМПОЗИТНИХ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ СТРУКТУР"

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ТАРАСА
ШЕВЧЕНКА
Інститут високих технологій
На правах рукопису
Стеблова Ольга Вікторівна
УДК: 537.222.22, 539.231, 539.213
ЕЛЕКТРОННИЙ ТРАНСПОРТ ТА ЕЛЕКТРОННA ПОЛЬОВА
ЕМІСІЯ З НАНОКОМПОЗИТНИХ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ
СТРУКТУР
Спеціальність 01.04.10 - фізика напівпровідників і діелектриків
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата
фізико-математичних наук
Науковий керівник
доктор фізико-математичних
наук, професор
Євтух Анатолій Антонович
Київ-2016
2
Перелік умовних позначень
НК – нанокристал;
LP CVD – метод хімічного осадження з газової фази при низькому тиску;
IPS – метод іонно-плазмового розпилення;
ВАХ – вольт-амперні характеристики;
КР – квантово-розмірний (ефект);
HR ТЕМ – високороздільний трансмісійний електронний мікроскоп;
АСМ – атомно-силовий мікроскоп;
ЕПЕ – електронна польова емісія;
ЕК – емісійний катод;
Ф-Н – Фаулер-Нордгейм;
П-Ф – Пул-Френкель;
РТД – резонансно-тунельний діод;
СООЗ – струм обмежений об’ємним зарядом;
АВП – алмазоподібні вуглецеві плівки;
МДН – метал-діелектрик-напівпровідник.
3
ВСТУП
Актуальність теми. Найпоширенішою сучасною технологією є кремнієва,
для якої більшість технологічних процесів є добре розробленими.
Властивості плівок, в яких кремнієві нанокристали (НК) знаходяться в
діелектричній матриці, привертають велику увагу для дослідження і
побудови на їх основі оптоелектронних і електронних приладів, а саме
одноелектронних транзисторів, резонансно-тунельних діодів,
енергонезалежних комірок пам’яті. Це пов’язано з тим, що низькорозмірні
ефекти визначають унікальні властивості напівпровідникової структури.
Наприклад, в енергонезалежній комірці пам’яті використовують плаваючі
затвори, які складаються з кремнієвих нанокристалів, занурених у шар
оксиду кремнію. Такі затвори є альтернативою полікремнію, який у даний
час використовують в енергонезалежній пам'яті, щоб збільшити щільність
зберігання даних і зменшити енергоспоживання. Іншим не менш важливим
способом використання нанокомпозитних плівок SiO2(Si) є створення на їх
основі резонансно-тунельних структур (РТС). Інтерес до резонанснотунельних діодів (РТД) виникає тому, що їх вольт-ампернa характеристикa
містить ділянку з від'ємною диференційною провідністю і вони швидкодіючі,
тому їх можна використовувати в надвисокочастотній техніці, наприклад як,
підсилювачі сигналу терагерцового діапазону. РТД виготовляють на основі
різних матеріалів (таких як напівпровідникові сполуки А3В5, А2В6) і різних
типів резонансно-тунельних структур (сильно-леговані p-n переходи в діодах
Есакі, двохбар'єрні, трьохбар'єрні структури і т.д.). РТД на матеріалах А3В5,
А2В6 важко інтегрувати в кремнієву технологію. РТД на основі матеріалів
четвертої групи Si/SiGe навпаки є сумісними з сучасною кремнієвою
технологією виготовлення інтегральних мікросхем і можуть бути легко
інтегрованими в неї. Проте вони мало поширені через використання для їх
виготовлення дорогої молекулярно-променевої епітаксії.
На сьогодні існує ряд технологій формування нанокомпозитних плівок
SiO2(Si), і кожна з них має певні переваги та недоліки. На початковому етапі
4
формують плівку SiOx збагачену кремнієм методами: осадженням з газової
фази при низькому тиску, іонно-плазмовим напиленням, плазмохімічним
осадженням, тощо. Для трансформації її в плівку SiO2(Si) використовують
термічний відпал. Як альтернативу, можна застосовувати лазерний відпал,
який також може бути використаний для трансформації вихідних збагачених
кремнієм плівок SiOx в нанокомпозитні плівки SiO2(Si). Перевагою лазерного
відпалу є можливість локального формування включень кремнієвих
нанокристалів у діелектричній матриці.
Також з розвитком мікро- та наноелектроніки зростає необхідність
контролю та візуального спостереження нанооб'єктів. Для цього необхідно
створити системи нанобачення (трансмісійний електронний мікроскоп,
скануючий мікроскоп, електронний польовий мікроскоп), які б могли
відображати об'єкт нанометрових розмірів. Системи з роздільною здатністю в
декілька нанометрів можуть бути реалізовані з використанням електронних
променів з вузьким просторовим та енергетичним розподілом електронів.
Електронні емітери з багатошарових структур, які складаються з
наночастинок, занурених у діелектричну матрицю, активно досліджуються
для використання їх в якості резонансно- тунельних структур. Когерентне
резонансне тунелювання електронів, послідовне електронне тунелювання та
одноелектронне тунелювання є основними механізмами транспорту
електронів при електронній польовій емісії (ЕПЕ) для багатошарових
квантових емітерів.
Багатошарові тунельні структури на основі кремнію є перспективними
для отримання джерела потоку електронів з дискретним енергетичним
спектром. Очікується, що реалізація тунелювання через багатошарові
структури в ЕПЕ забезпечить вузькі енергетичний та просторовий розподіли
емітованих електронів.
Все це безумовно, вказує на актуальність і необхідність проведення
дослідження електропровідності і ЕПЕ з нанокомпозитних багатошарових
структур у дисертаційній роботі.
5
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.
Дослідження проводились у рамках виконання бюджетних тем та
науково-технічних проектів кафедри нанофізики конденсованих середовищ
Інституту високих технологій Київського національного університету імені
Тараса Шевченка:
1. Бюджетна тема “Фізичні основи процесів формування
напівпровідникових наноструктур для пристроїв електроніки і фотоніки”,
номер державної реєстрації № 0111U006258, термін виконання 2011-2015 р.
2. Проект державної цільової науково-технічної програми
“Нанотехнології та наноматеріали” “Дослідження та розробка автоемісійних
катодів на основі регулярних ансамблів нанодротів кремнію в діелектричних
матрицях та емісійних резонансно-тунельних структур”, номер державної
реєстрації № 0110U006288, термін виконання 2010-2014 р.
Мета і завдання дослідження
Перспектива широкого застосування кремнієвих наноструктур в
наноелектроніці визначає предмет та мету дослідження.
Мета даної роботи – встановлення фізичних механізмів електронного
транспорту через тонкі збагачені Si плівки SiOx та нанокомпозитні плівки
SiO2(Si), що містять нанокристали кремнію в діелектричній матриці SiO2, їх
зв’язку зі структурою плівок, та технологією формування. Дослідження
електронної польової емісії з кремнієвих та Si-Ge наноструктур для
з’ясування їх подальшого використання в якості емісійних катодів та
емісійних резонансно-тунельних діодів.
У роботі розв’язувались наступні наукові задачі:
1. Встановлення механізмів електронного транспорту через збагачені
кремнієм нанокомпозитні плівки SiO2(Si) з нанокристалами Si отримані
методом хімічного осадження з парогазової фази при низькому тиску.
2. Визначення впливу низькотемпературних відпалів у водні та у вакуумі на
провідність плівок SiOх(Si).
6
3. Дослідження впливу параметрів нанокомпозитних плівок SiO2(Si) на
особливості електронного транспорту для реалізації явища резонансного
тунелювання.
4. Визначення структурних властивостей збагачених кремнієм плівок SiOx
та нанокомпозитних плівок SiO2(Si) залежно від режимів лазерного
відпалу.
5. Встановлення механізмів електронного транспорту через плівки SiOx,
отримані методом іонно-плазмового розпилення, та нанокомпозитні
плівки SiO2 з НК кремнію, сформовані в результаті наступного лазерного
відпалу.
6. Дослідження та розробка технології формування Si нановістрів методом
метал-каталітичного хімічного травлення.
7. Дослідження електронної польової емісії з напівпровідникових
наноструктур для встановлення основних закономірностей і можливості
реалізації явища резонансного тунелювання.
Об’єктом дослідження були збагачені кремнієм плівки SiOx та
нанокомпозитні плівки SiO2(Si), що містять нанокристали кремнію в
діелектричній матриці SiO2, кремнієві нановістря, сформовані методом
ізотропного травлення та методом метал-каталітичного хімічного травлення,
наноструктури Si-Ge, створені методом молекулярно-променевої епітаксії.
Предметом дослідження були механізми електронного транспорту та
структурні особливості нанокомпозитних плівок SiO2(Si) залежно від
технології отримання, електронна польова емісія з Si нановістрів, вкритих
плівками SiO2(Si) та з Si-Ge наноострівців.
Для досягнення поставленої мети застосовувались такі методи
дослідження: виміри вольт-амперних характеристик у широкому діапазоні
7
температур, виміри емісійних вольт-амперних характеристик, еліпсометрія,
ІЧ-спектроскопія.
Як додаткові використовувалися методи: атомно-силова мікроскопія,
скануюча електронна мікроскопія, трансмісійна електронна мікроскопія.
Наукова новизна роботи:
1. Встановлені основні механізми електронного транспорту в широкому
діапазоні напруженостей електричних полів і температур через збагачені
кремнієм плівки SiOx та нанокомпозитні плівки SiO2(Si), що містять
нанокристали кремнію. Основними механізмами струмопереносу через
досліджувані плівки є: механізм провідності зі змінною довжиною стрибка
(механізм Мотта), струм обмежений об’ємним зарядом (СООЗ), механізм
Пула-Френкеля, тунелювання за Фаулером-Нордгеймом. Реалізація того чи
іншого механізму струмопереносу суттєво залежить від вмісту
надлишкового кремнію, температури виміру і прикладеної напруги.
2. Вперше досліджено вплив відпалу у водні та у вакуумі на
електропровідність плівок SiOx(Si), сформованих методом іонноплазмового розпилення. Як правило, відпал у водні значно звузив
енергетичний діапазон розміщення пасток, що впливають на провідність
при напругах до 0,4 В у порівнянні з вихідною плівкою. Для U > 2 B
відпал у водні призвів до зміни механізму провідності: механізм ПулаФренкеля перейшов до механізму провідності СООЗ.
3. Виявлено явище резонансного тунелювання при проходженні струму через
надтонкі нанокомпозитні плівки SiOx(Si). На ВАХ вихідних і відпалених у
вакуумі плівок виявлені ділянки з від’ємною диференційною провідністю.
Запропонована модель, яка пояснює піки на ВАХ на основі явища
резонансного тунелювання через структуру SiOx-Si-НК-SiOx з участю
пасток у SiOx.
4. Встановлені особливості формування нанокристалів Si у діелектричній
матриці SiO2 у результаті лазерного відпалу збагачених кремнієвих плівок
SiOx. Початок формування кремнієвих нановключень починається при
8
опроміненні інтенсивністю І = 14 МВт/см2
. Збільшення інтенсивності
лазерного опромінення, як правило, приводить до збільшення висоти
сформованих нановключень. Розміри та густина кремнієвих нановключень
при постійній інтенсивності залежить від довжини хвилі лазерного
опромінення: при I = 16 MВт/см2
для λ1 = 535 нм, h1 ≈ 5 нм, для λ2 = 1064
нм, h2 ≈ 85 нм.
5. Виявлені два нахили на емісійних вольт-амперних характеристиках
кремнієвих катодів, вкритих надтонкою плівкою SiO2(Si). Запропонована
фізична модель, яка пояснює наявність двох нахилів двома механізмами
струмопереносу, а саме емісією через квантовану підзону (з нижчим
ефективним енергетичним бар'єром) і емісією з об'єму матеріалу (вищий
енергетичний бар'єр). На основі цієї моделі проведені розрахунки
енергетичного розподілу емітованих електронів з кремнієвих нановістрів,
вкритих нанокомпозитною плівкою SiO2(Si).
6. Встановлені особливості електронної польової емісії з Si нановістрів,
вкритих нанокомпозитною плівкою SiO2(Sі), та з Si-Ge наноострівців і
виявлені ділянки негативного диференціального опору на емісійній ВАХ.
Запропонована резонансно-тунельна модель для пояснення емісійних
піків, яка розглядає появу резонансних рівнів у Si нанокристалах
(квантовій точці) нанокомпозитної структури SiO2(Si) на поверхні емітера
та в трикутній приповерхневій потенціальній ямі у випадку Si-Ge
наноострівців.
Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному:
1. Виявлене явище резонансного тунелювання в плівках SiOx(Si) може бути
використане при розробці резонансно-тунельних діодів на основі
кремнієвих наноструктур.
2. Оптимізовані режими лазерного відпалу, які можуть бути використані для
локального отримання нанокомпозитних плівок SiO2(Sі) з нанокристалами
кремнію в діелектричній матриці SiO2 для подальшого застосування в
енергонезалежних комірках нанокристалічної пам’яті.
9
3. Встановлена залежність розмірів та поверхневої густини кремнієвих
нанокластерів від інтенсивності лазерного опромінення при формуванні
нанокомпозитних плівок SiO2(Si), що може використовуватись для
формування нанокристалів наперед заданих розмірів та поверхневої
густини в кремнієвих наноелектронних структурах.
4. Встановлений механізм електронного транспорту в нанокомпозитних
плівках SiO2(Si), який може використовуватись при моделюванні
параметрів енергонезалежних елементів нанокристалічної пам’яті.
5. Розроблена та оптимізована методика отримання Si-нановістря економічно
вигідним методом хімічного травлення за допомогою металу та
підтвердженна електронна емісія з них у вакуум, що дає можливість їх
використання як ефективних емісійних катодів.
6. Отримані резонансні піки на емісійних вольт-амперних кривих у
координатах Фаулера-Нордгейма зі нанокомпозитних структур SiO2(Si) на
поверхні емітера та з Si-Ge наноострівців підтверджує можливість їхнього
використання в якості емісійних резонансно-тунельних діодів.
Особистий внесок здобувача полягає в отриманні представлених у
дисертації наукових результатів в обговоренні задач та результатів
досліджень, постановці та проведенні експериментів: здійснення термічного і
лазерного відпалів збагачених кремнієм плівок SiOx, дослідження
структурних змін і провідності через них залежно від температури відпалу та
інтенсивності лазерного опромінювання [90, 91, 101, 126]. Пояснювала
отримані ІЧ-спектри пропускання з метою з’ясування природи структурних
перетворень плівок SiOx після лазерного відпалу в залежності від
інтенсивності випромінювання лазера. У роботах [83, 125, 142] дисертантка
проводила вимірювання електронної польової емісії з сформованих методом
ізотропного травлення кремнієвих нановістрів з покритими плівками SiOx та
нанокомпозитними плівками SiO2(Si) різної товщини з метою виявлення
явища резонансного тунелювання, а також встановлення технологічних умов
покращення емісійних властивостей катодів. Виконувала апроксимацію
10
експериментальних емісійних ВАХ з метою аналізу основних параметрів
емісійних катодів (роботи виходу, площі емісії, коефіцієнт підсилення
електричного поля). У роботі [96] проводила розрахунок параметрів
емісійних ВАХ опромінених лазером, з метою з’ясування впливу освітлення
на емісійний струм і пояснення змін, які відбуваються. У роботах [93, 125]
удосконалила методику вирощування кремнієвих нановістрів методом металкаталічного хімічного травлення та дослідила електронну польову емісію з
них. Разом з науковим керівником здобувачка брала активну участь в
обговоренні та інтерпретації експериментальних результатів, а також у
написанні всіх наукових робіт.
Апробація результатів дисертації.
Основні результати, які представлені в дисертації, доповідались і
обговорювались на вітчизняних і міжнародних конференціях, симпозіумах,
семінарах: 24th International Vacuum Nanoelectronics Conference (Wuppertal,
Germany),18th - 22nd July, 2011;25th International Vacuum Nanoelectronics
Conference (Korea), 9-13 July, 2012; Конференція молодих вчених з фізики
напівпровідників «Лашкарьовські читання-2012» з міжнародною участю
(Київ), 3-5 Квітня 2012;XIITH International young scientists’ conference on
applied physics (Kyiv, Ukraine), 23-26, May, 2012; 5th International Scientific and
Technical Conference "Sensors Electronics and Microsystem Technologies"
(SЕМSТ-5), (Ukraine, Odessa), 4-8, June, 2012; SPO-2012 (Kyiv, Ukraine), 25-27
October, 2012; Конференція молодих вчених з фізики напівпровідників
«Лашкарьовські читання-2013» з міжнародною участю (Київ), 3-5 Квітня
2013; 2
nd
, Ukrainian-French Seminar” Semiconductor-On-Insulator Materials,
Devices and Circuits: Physics, Technology and Diagnostics”(Kyiv), 8-11 April,
2013;XIV International Conference “Physics and technology of thin films and
nanosystems” ICPTTFN-XIV(Ivano Frankivsk, Ukraine), 20-25May, 2013; XIIITH
International young scientists’ conference on applied physics, (Kyiv, Ukraine),13-
15, June, 2013; 26th International Vacuum Nanoelectronics Conference (Reanoke
VA, USA), 8 – 12 July, 2013; 2nd International research and practice conference
11
Nanotechnology and Nanomaterials (Lviv, Ukraine), 27-30 August, 2014;
Конференція молодих вчених з фізики напівпровідників «Лашкарьовські
читання-2014» З Міжнародною участю (Київ, Україна), 2-4 Квітня, 2014; 27th
International Vacuum Nanoelectronics Conference (Engelberg, Switzerland), 6-10
July, 2014; 6th International Scientific and Technical Conference "Sensors
Electronics and Microsystems Technologies" (SЕМSТ-6), (Odessa, Ukraine),29-3,
September, 2014; E-MRS Spring meeting (Lilli France), 20 th-30th May, 2014; XV
International Conference “Physics and technology of thin films and nanosystems”
ICPTTFN-XIV, May, 11-16, 2015 year, Ivano Frankivsk, Ukraine.
Публікації. Основні результати дисертації викладені в 25 роботах,
опублікованих у провідних вітчизняних та зарубіжних журналах та збірниках
матеріалів міжнародних і вітчизняних конференцій; 9 робіт опубліковано в
реферованих фахових журналах та збірниках наукових праць, 16 – у тезах
конференцій.
Дисертація складається зі вступу, 4 розділів, загальних висновків і
списку використаних джерел. Дисертаційна робота містить 146 сторінки
машинописного тексту, 74 рисунки, 12 таблиць, вміщених у текст та список
використаних джерел із 157 найменувань на сторінках.

Список літератури

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ
1. Отримані основні закономірності впливу лазерного відпалу на
трансформацію збагачених кремнієм плівок SiOx у нанокомпозитну плівку
SiO2(Si), що містить нанокристали Si в діелектричній матриці.
1.1. Кремнієві нановключення починають формуватися при інтенсивності
лазерного опромінення I≥ 14 МВт/см2
.
1.2. Збільшення інтенсивності лазерного опромінення, як правило,
приводить до збільшення висоти сформованих нановключень. Розміри і густина
кремнієвих нановключень при постійній інтенсивності залежить від довжини
хвилі лазерного опромінення: зокрема при I = 16 MВт/см2
для λ1 = 535 нм, h1 ≈ 5
нм, для λ2 = 1064 нм, h2 ≈ 85 нм.
1.3. Після лазерного відпалу при інтенсивності 100 МВт/см2
, відбувається
трансформація нестехіометричної оксидної плівки SiOx х ≈ 0,98 у плівку
SiO2(Si) з індексом нестехіометрії х ≈ 1,75.
1.4. Поріг руйнування плівки досягається при інтенсивності лазерного
опромінення I ≥ 114 МВт/см2
.
2. Встановлено механізми електронного транспорту через нанокомпозитні
плівки SiO2(Si), що містять нанокристали кремнію, отримані методом LPCVD з
наступним високотемпературним відпалом. Показано, що механізми
електронного транспорту залежать від вмісту надлишкового кремнію у
вихідних плівках, діапазону електричних полів та температури виміру.
2.1. Незалежно від вмісту надлишкового кремнію для низьковольтної
області U< 1,2 B і інтервалу температур 190 «омічна» ділянка провідності.
2.2. Встановлені основні механізми електронного транспорту в широкому
діапазоні напруженостей електричних полів і температур через збагаченні
кремнієм плівки SiOx та нанокомпозитні плівки SiO2(Si), що містять
нанокристали кремнію. Основними механізмами струмопереносу через
досліджувані плівки є: механізм провідності зі змінною довжиною стрибка
(механізм Мотта), струм обмежений об’ємним зарядом, механізм Пула-
127
Френкеля, тунелювання за Фаулером-Нордгеймом. Реалізація того чи іншого
механізму струмопереносу суттєво залежить від вмісту надлишкового кремнію,
температури виміру і прикладеної напруги.
3. Встановлено вплив низькотемпературних відпалів у водні та у вакуумі на
електропровідність плівок SiOх(Si). Як правило, відпал у водні приводить до
зменшення електропровідності, в результаті пасивації електронних пасток, а
відпал у вакуумі їх частково відновлює.
4. Виявлено явище резонансного тунелювання при проходженні струму через
тонкі плівки SiOх(Si). Інтенсивність резонансних піків зростає з пониженням
температури виміру. Встановлена суттєва роль пасток в оксидній матриці в
процесах струмопереносу, про що свідчить відсутність резонансного
тунелювання в плівках SiOх(Si) відпалених у водні.
5. Виявлені два нахили на емісійних вольт-амперних характеристиках
кремнієвих катодів покритих надтонкою плівкою SiO2(Si). Запропонована
фізична модель, яка пояснює наявність двох нахилів двома механізмами
струмопереносу, а саме емісією через квантовану підзону нанокристала
кремнію (з нижчим ефективним енергетичним бар'єром) і емісією з об'єму
матеріалу (вищий енергетичний бар'єр). На основі цієї моделі проведені
розрахунки енергетичного розподілу емітованих електронів з Si нановістрів
вкритих надтонкою нанокомпозитною плівкою SiO2(Si).
6. Визначені особливості електронної польової емісії з Si нановістрів,
вкритих нанокомпозитною плівкою SiO2(Sі), та Si-Ge наноострівців, і виявлено
ділянки негативного диференціального опору на емісійній ВАХ. Запропоновано
резонансно-тунельну модель для пояснення емісійних піків, яка розглядає
появу резонансних рівнів у квантовій ямі Si-НК шаруватої структури SiO2-SiНК-SiO2 на поверхні емітера та в трикутній приповерхневій потенціальній ямі у
випадку Si-Ge наноострівців.