Введение к работе
Актуальность темы.
Одним из важных направлений современной физики твердого тела является исследование свойств новых материалов с неоднородной структурой. Значительное внимание уделяется исследованию электрических свойств различных гранулированных неупорядоченных сред, таких как нанокомпозиты металл-диэлектрик и поликристаллические полупроводники с инверсно легированными границами зёрен. Эти гранулированные материалы представляют собой систему твердотельных проводящих кластеров, гранул или зёрен, разделенных зазорами, заполненными другим материалом или расположенных вплотную друг к другу. При этом размеры, форма частиц, их взаимное расположение носит, как правило, случайный характер В таких системах возникают новые физические эффекты, принципиально связанные со статистическим разбросом указанных параметров. В то время, как структурные параметры гранулированной среды существенным образом определяют её электрические свойства, имеются значительные трудности в определении параметров микроструктуры этих материалов имеющимися методами диагностики Поэтому разработка новых методов анализа и моделирования структуры является важной задачей.
Фундаментальная проблема, возникающая при анализе электрических свойств гранулированных сред связана с их нерегулярной природой. Несмотря на то, что во многих случаях элементарный процесс пере-
3 БИБЛИОТЕКА ]
С Петербург (у < \
носа заряда между двумя проводящими і ранулами с фиксированными параметрами достаточно хорошо изучен, переход к макроскопическим электрическим свойствам материн та в целом, представ пяющеі о <обой статистический ансамбль і ранул, явчяется нетривиальной задачей
В нанокомпозитах металл-диэлектрик - системах металлических кластеров нанометрового рашера, разделенных диэлектрическими барьерами, микроскопический механизм прыжкового транспорта связан с эффектом 'кулоновской блокады", т.е. наличием энергетического барьера, препятствующего туннелированию электронов. При этом зарядовая энергия существенным образом зависит как от размеров гранул, так и от их взаимного расположения. Определение средней зарядовой энергии и её разброса в плотной системе металлических гранул, является актуальной задачей. Важным как с теоретической, так и прикладной точек зрения является анализ протекания макроскопического тока в металл диэлектрическом нанокомнозите зависимости электрической проводимости от структурных параметров материала, геомеїрии образца, температуры и приложенного внешнего электрического поля, в частности возможности её эффективной модуляции поперечным электрическим полем.
Как и для нанокомпозитов, для поликрисіаллических полупроводников с инверсно-легированными межзеренными границами в настоящее время разработаны аналитические и численные модели зарядового іранспорта между двумя отдельными гранулами - через потенци-
альный двойной барьер Шоттки, возникающий на стыке зёрен, в го же время вопрос о переходе от свойств одной межзереннои границы к свойствам образца, содержащего большое количество зёрен в настоящее время изучен плохо. В частности, актуальной задачей является анализ электрических свойств материалов, средний размер зерен в которых сравним с шириной потенциального барьера на границе. В этом случае рассмотрение процесса электронного транспорта на основе модели одиночного барьера Шоттки вообще неприменимо, и для адекватного описания электрических свойств таких систем требуется разработка новых подходов с применением методов численного моделирования.
Гранулированные неупорядоченные материалы могут обладать электрическими свойствами, важными с точки зрения приборных применений в микро- и наноэлоктронике Важным достоинством неупорядоченных гранулированных материалов является то, что технологический процесс их получения относительно дешев и легко масштабируется, что определяет возможность широкого использования их в различных прикладных областях. С прикладной точки прения актуальной задачей является изучение возможности создания на основе таких структур новых приборов с улучшенными характеристиками. В частности, представляет интерес создание на основе нанокомпозита металл-диэлектрик полевых транзисторов, использование поликристаллических керамических полупроводников в перспективных устройствах оперативной памяти, активных матрицах жидкокристаллических дис-
плеев. (оздание на их основе инигральных схем пассивных элементов и др.
Целью данной работы являлись
Разработка методов анализа структурных параметров нагюком-позитов металл-диэлектрик с высокой плотностью металлических наночастиц, включая определение среднего размера частиц, дисперсии размеров, параметров распределения частиц в объеме. Построение адекватной численной модели структуры поликрисгал-лических полупроводников на основе представлений о механизме формирования зёрен.
Изучение зависимосги макроскопического электрического тока в нанокомпозитах металл-диэлектрик от параметров микроструктуры материала, геометрии образца, температуры и приложенною внешнего электрического поля. Изучение возможности модуляции электрической проводимости нанокомпозиіа поперечным электрическим полем. Для этого разрабохана новая чис іенная модель электронного прыжкового транспорта в нанокомпозитах на основе подхода молекулярной динамики, т.е путём моделирования прыжков электронов в системе металлических гранул, разделенных туннельно-прозрачными зазорами.
Исследование электрических свойств иоликристалличе<ких полупроводников с инверсно-легированными границами зёрен, зависимости проводимости и емкости от геометрических парамет-
ров поликристаллической структуры материала и размера зёрен. При этом подход на основе решения уравнений диффузионно-дрейфового переноса заряда в полупроводниках впервые применяется совместно с моделью поликристаллической структуры на основе сетки Вороного. Такая модель позволяет проанализировать влияние геометрических параметров поликристаллической структуры на её электрические свойства, в частности впервые количественно описать переход от случая больших зёрен к случаю малых зёрен, когда средний размер зерна становится сравним с шириной потенциального барьера на межзёренной границе.
В задачу работы входило изучение возможности использования исследованных структур для создания новых типов электронных приборов: полевых транзисторов на основе нанокомпозитов металл-диэлектрик, варисторов и миниатюрных устройств опера-1ИВНОЙ памяти на основе поликристаллических керамических полупроводников.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1 Разработана новая численная модель, описывающая когерентное рассеяние излучения в системе металлических частиц с учетом интерференционных эффектов Данная модель хорошо описывает экспериментальные спектры малоуглового рентгеновского рассеяния в нанокомпозитах с содержанием металла выше 10 об. %
-
Впервые проведен расчет энергии кулоновского взаимодействия в плотной системе металлических гранул с учетом их взаимной по-чяризации Установлена іависимость средней величины и дисперсии зарядовой энергии от объемной концентрации металлической фазы.
-
С помощью численного моделирования прыжкового транспорта методом Монте-Карло обнаружена возможность эффективной модуляции проводимости тонких птенок нанокомпозитов мегалл-диэлектрик внешним электрическим полем (эффект поля). Исследованы зависимости глубины модуляции проводимости от параметров нанокомпозитной плёнки и найдены условия, при которых такая модуляции может быть эффективной.
4 Предложена новая модель для анализа электрических свойств поликристаллических полупроводниковых материалов с инверсно-легированными границами зёрен, в которой структура поликристаллического полупроводника представлена в виде случайной трёхмерной сетки Вороного и іранспорт носителей на каждой межхёренной границе описывается в рамках одномерной диффузионно-дрейфовой модели. С помощью этой модели установлены зависимости параметров вольт-амперных и вольт-фарадных характеристик полупроводниковой поликристаллической структуры от легирования межзеренных границ, характера расположения зёрен.
5 Разработана двумерная диффузионно-дрейфовая модель зарядового транспорта в полупроводниковых поликристаллических материалах с субмикронными размерами зёрен. С помощью данной модели впервые получена зависимость вольт-амперной характеристики и удельной емкости поликристаллического материала от среднего размера зёрен и количественно рассчитан эффект подавления электрической емкости при уменьшении среднего размера зёрен.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
-
Разработана методика, позволяющая с высокой точностью определять параметры структуры металл-диэлектрических нанокомпозитов (средний размер, дисперсию, степень упорядочения структуры) в широком диапазоне объемных концентраций частиц на основе анализа экспериментальных спектров малоуглового рентгеновского рассеяния.
-
Показано, что на основе тонких пленок нанокомпозитов могут быть созданы новые быстродействующие полевые транзисторы, в которых высокая эффективность мод>ляции тока достигается за счёт эффекта поля при температурах вплоть до 300 К
-
Разработаны численные модели для расчета электрических характеристик поликристаллических полупроводников с инверсно-легированными границами зёрен. Эти модели могут примененять-
ся для расчета и оптимизации электрических свойств микроэлек-тронных устройств на основе поликристаллических материалов, а также дтія расчета интегральных схем пассивных '-элементов (резне гор-варистор-емкость). устройствах оперативной памяти на основе поликристаллических керамических материалов.
На защиту выносятся следующие основные научные положения:
В нанокомпозитах металл-диэлектрик, содержащих зародыши металлической фазы, распределение металлических частиц по размерам описывается log-нормальным законом. В нанокомпозитах Cv : SiOz- полученных методом магнетронного сораспыления, в диапазоне концентраций металлической фазы 10-30 %, средний радиус частіш составляет 1.5 ±0.1 нм, а логарифмическая дисперсия 0.2 ± 0.025
В нанокомпозитах металл-диэлектрик имеется сильная зависимость величины зарядовой энергии металлических частиц от концентрации металлической фазы. При увеличении объемной концентрации металлической фазы от 5% до 20% средняя величина зарядовой энергии частиц уменьшается в 1.5 раза.
Электрическая проводимость тонких пленок нанокомпозитов металл-диэлектрик увеличивается при приложении поперечного электрического поля (эффект поля). В пленках, состоящих из одного слоя металлических наночастиц диаметром 1.5 нм, глубина
модуляции проводимости при комнатной температуре согтавляет более 3-х порядков при условии малой величины случайного потенциала в структуре.
В
поликристаллическом полупроводнике с инверсно-легированными границами зерен электрические характеристики, такие как порог проводимости по напряжению, электрическая емкость и частотная зависимость проводимости, меняются в широких пределах при малом изменении концентрации легирующей примеси на границе, а также зависят от степени упорядоченности лоликристаллической структуры.
В поликристаллическом полупроводнике уменьшение размеров зё
рен приводит к росту порогового напряжения и уменьшению элек
трической емкости. Эффект становится значительным для мате
риалов со средними размерами зёрен менее 5d (d-ширина обеднен
ного слоя с одной стороны от границы). Этот эффект адекватно
описывается двумерной диффузионно-дрейфовой моделью.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались на международной конференции "International Conference on Physics of Semiconductors", Эдинбург, 2002г, на 4-й и 7-й международных конференциях "Nanostructure: Physics and Technology". С.-Пеїербург, 1998,2001 гг., на Зимней Школе по физике полупроводников 2001,2003 гг., а также на
научных семинарах лаборатории полупроводниковой квантовой электроники ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН
Исследования в данном направлении были поддержаны Российским Фондом Фундаментальных Исследований (грант РФФИ N98-02-18210). Программой "Фи-шка Твердотельных Наноструктур"МН РФ (гранил 97-2014 и 97-1035) а также персональными грантами Конкурсного Центра Фундаментального Естествознания г. С-Петербурга.
Публикации По результатам исследований, выполненных в диссертационной работе, опубликовано 14 научных работ из них б - в реферируемых журналах. Список работ приведен в конце автореферат
Структура и объем диссертации
