Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Электрофизические свойства аморфного оксида алюминия (обзор литературы) 10
1.1. Структурные особенности кристаллических и аморфных модификаций оксида алюминия 10
1.1.1. Структурные особенности кристаллических модификаций оксида алюминия 10
1.1.2. Стр оение пленок аморфного оксида алюминия, полученного разными способами 14
1.2. Электрофизические свойства аморфных пленок оксида алюминия 22
1.3. Мето д молекулярного наслаивания выращивания тонких пленок 29
1.3.1. Особенности метода молекулярного наслаивания 29
1.3.2. Нанесение пленок оксида алюминия методом молекулярного наслаивания 39
1.4. Выводы из обзора литературы и постановка задач исследования 42
Глава 2 Методика эксперимента 45
2.1. Метод диэлектрической спектроскопии исследования свойств материалов 45
2.2. Схема экспериментальной установки и принцип работы диэлектрического спектрометра 48
2.3. Описание образцов и определение элементного состава оксидного слоя МДП – структур 55
Глава 3 Поляризационные свойства слоев аморфного оксида алюминия 62
3.1. Диэлектрическая релаксация в тонких слоях аморфного оксида алюминия 62
3.1.1. Температурно – частотная зависимость составляющих комплексной диэлектрической проницаемости 62
3.1.2. Перенос заряда в аморфных пленках оксида алюминия на переменном токе 73
3.1.3. Вольт – амперные характеристики структур Si / Al2O3 / Al 80
3.2. Влияние технологического фактора на диэлектрические свойства аморфных слоев оксида алюминия, полученных методом МН 89
3.2.1. Влияние условий синтеза (тип реагента) на диэлектрические свойства аморфных слоев оксида алюминия 89
3.3. Выводы по главе 3 112
Заключение 114
Список литературы 117
- Структурные особенности кристаллических модификаций оксида алюминия
- Нанесение пленок оксида алюминия методом молекулярного наслаивания
- Описание образцов и определение элементного состава оксидного слоя МДП – структур
- Перенос заряда в аморфных пленках оксида алюминия на переменном токе
Введение к работе
Актуальность работы. Расширение круга применяемых в микроэлектронике полупроводниковых структур металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) требует получения для них качественных диэлектрических слоев при относительно низких температурах, позволяющих избежать деградации поверхности полупроводника. С этой точки зрения перспективными являются слои оксида алюминия Al2O3, синтезируемые методом молекулярного наслаивания (МН) (известного за рубежом как atomic layer epitaxy (эпитаксия атомных слоев) (ALE) или atomic layer deposition (осаждение атомных слоев) (ALD). Данный материал имеет высокое значение диэлектрической проницаемости ( = 10) и является кандидатом для замены подзатворного SiO2 ( = 3.9) в МДП транзисторах. Помимо этого, пленки Al2O3 имеют малые токи утечки по сравнению с HfO2 (также широко применяющегося в транзисторах).
Конденсаторные структуры с пленками Al2O3 могут быть использованы в качестве сенсоров влажности емкостного типа, имеющих достаточно высокие чувствительность и быстродействие. Перспективным является использование аморфного оксида алюминия и в качестве блокирующего слоя во ФЛЭШ элементах памяти. Работа данных устройств основана на локализации заряда на квантовых точках, и в настоящее время изготовляются преимущественно на базе нитрида кремния.
Существует целый ряд методов, позволяющих синтезировать оксид алюминия, в том числе молекулярное наслаивание, анодное (электрохимическое) оксидирование, осаждение из газовой фазы, золь-гель технологии и т.д. Однако синтез методом молекулярного наслаивания, в отличие от других методов нанесения, протекает не в результате хаотичного межатомного, межмолекулярного взаимодействия реагентов, а путем переноса и закрепления определенных структурных единиц на заранее подготовленной поверхности в соответствии с программой синтеза, тем самым, позволяя осуществлять конструирование материалов с заданными свойствами. Микроструктура синтезированных пленок сильно зависит от большого числа технологических параметров: используемых прекурсоров, температуры подложки, скорости роста пленки, толщины синтезируемой пленки.
До настоящего времени, к сожалению, уделялось мало внимания изучению диэлектрических характеристик аморфных слоев Al2O3, полученных методом МН. Исследования такого рода необходимы для установления корреляции между особенностями поляризационных процессов и технологическими режимами получения этих слоев, что необходимо при определении надежности работы полупроводниковых систем и электронных устройств на их основе.
Цель работы. Установление закономерностей поляризационных процессов и их корреляции с условиями синтеза в аморфных слоях оксида алюминия Al2O3, полученных методом ALD.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
1. Изучить структурные особенности слоев аморфного оксида алюминия методом электронной микроскопии в связи с условиями их синтеза.
-
Изучить закономерности поляризационных явлений в слоях аморфного оксида алюминия, полученных методом ALD, в широком интервале температур и частот.
-
Исследовать влияние технологических факторов на поляризационные явления и перенос заряда в данных слоях.
-
Провести интерпретацию полученных результатов в рамках адекватных им существующих модельных представлений.
5. Определить параметры поляризационных процессов в исследуемых
образцах, ключевых с точки зрения их использования для диагностики струк
турных особенностей изучаемых составов.
Научная новизна. В отличие от выполненных ранее исследований поляризационных свойств слоев оксида алюминия, полученных методом молекулярного наслаивания, где главным образом изучалась проводимость на постоянном токе, в настоящей работе предпринято исследование поляризационных явлений в динамическом режиме с учетом влияния технологических факторов. В результате получены следующие новые научные результаты:
Установлены закономерности дисперсии комплексных составляющих диэлектрической проницаемости и проводимости слоев оксида алюминия, в различных и широко изменяющихся внешних условиях, которые свидетельствуют о влиянии внешних факторов на поляризационные явления.
Установлено влияние технологических условий синтеза на протекающие в слоях оксида алюминия поляризационные явления. Определены ответственные за наблюдаемые закономерности факторы и процессы, к числу которых относятся изменения в строении изучаемых материалов (изменение типа и длины связей).
Основные положения, выносимые на защиту:
-
В тонких слоях аморфного оксида алюминия, помещаемых в переменное электрическое поле, протекают поляризационные процессы, являющиеся результатом проявления механизмов дипольно-релаксационной поляризации, и прыжкового механизма переноса заряда.
-
Обнаруженные особенности протекания поляризационных процессов обусловлены влиянием технологических факторов на структурные особенности исследуемых слоев, а именно, применением различных реагентов при синтезе пленок, а также увеличением их толщины при создании МДП-структур.
-
Чувствительность диэлектрических параметров к условиям синтеза аморфных слоев оксида алюминия информативна и может быть использована для технической диагностики изучаемого материала.
Теоретическая значимость работы. Полученные экспериментальные результаты исследования поляризационных свойств слоев оксида алюминия, полученных методом молекулярного наслаивания, вносят вклад в физику электронных явлений в аморфных полупроводниках и в разработку теоретических основ технологии получения аморфных слоев с необходимыми функциональными свойствами для устройств электроники и оптоэлектроники.
Практическая значимость работы. В рамках выполненной работы получены новые данные, касающихся влияния условий синтеза аморфных слоев оксида алюминия, на их диэлектрические свойства. Эти результаты являются основой для составления научно-технических рекомендаций по практическому использованию изученного материала.
Результаты работы используются в учебном процессе при подготовке студентов, магистрантов и аспирантов на факультете физики РГПУ им. Герцена, обучающихся по магистерским программам в области физики конденсированного состояния вещества.
Связь темы с планом научных работ. Диссертационная работа являлась частью научных исследований лаборатории физики неупорядоченных полупроводников НИИ физики РГПУ им. А.И. Герцена и проводилась в рамках прикладных исследований по государственному заданию Министерства образования и науки Российской Федерации:
-
№ 50/12-ГЗП «Синтез и исследование электрофизических свойств новых наноструктурированных композиционных материалов, перспективных для использования в микро- и оптоэлектронике».
-
№ 43/13-ГЗП «Синтез, диэлектрическое и структурное исследование новых функциональных наноматериалов на основе органических и неорганических полимерных систем».
Результаты данного исследования были отмечены Дипломом III степени на Всероссийском молодежном конкурсе научно-исследовательских работ по фундаментальной и прикладной физике, проведенном в 2012 году Министерством образования и науки РФ на базе МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, июль 2012 г.).
Достоверность и научная обоснованность обеспечивались комплексным характером исследования, корректностью использованных экспериментальных методик и воспроизводимостью результатов проведенных измерений, применением современных методов математической обработки данных, сопоставлением экспериментальных результатов с литературными данными.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих международных и всероссийских научных конференциях: «XII Всероссийской молодёжной конференции по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектрони-ке» (Санкт - Петербург, 2010 г.); ХII Международной конференции «Диэлектрики – 2011» (Санкт - Петербург, 2011 г.); Международной научно-практической конференции «Научные исследования современности. Выпуск 3» (Украина, Киев, 2011 г.); XII Всероссийском молодежном школе-семинаре по проблемам физики конденсированного состояния (Екатеринбург, 2011 г.); VIII Международной конференции «Аморфные и микрокристаллические полупроводники - AMS VIII» (Санкт - Петербург, 2012 г.); Всероссийском молодежном конкурсе научно - исследовательских работ по фундаментальной и прикладной физике 2012 г. (Москва, 2012 г.) и научных семинарах НИИ Физики Российского государственного педагогического университета имени А. И. Герцена.
Публикации. По результатам исследования опубликовано 11 печатных работ, в том числе, 3 статьи в российских и зарубежных реферируемых журналах, 8 в трудах всероссийских и международных научных конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения и списка литературы. В работе 131 страница сквозной нумерации, 36 рисунков, 6 таблиц, список литературы включает 120 наименований.
Структурные особенности кристаллических модификаций оксида алюминия
Оксид алюминия образует целый ряд кристаллических модификаций (а -, у -, ц - и др.), а также существует в аморфном состоянии [4, 5]. Известны две формы координации атомов кислорода около атома алюминия - тетраэд-рическая форма и октаэдрическая форма. Все кристаллические модификации А12Оз представляют собой смесь некоторого количества октаэдров и тетраэдров. Аморфную структуру оксида алюминия образуют также октаэдры и тетраэдры, которые могут содержаться в любых соотношениях [6] (как правило, число тетраэдров больше), соединенные в вершинах кислородными мостиками. При этом, они составляют беспорядочную пространственную атомную сетку из шестичленных колец и цепочек [7]. Связи внутри полиэдров возникают в результате перекрытия и гибридизации s - ир - орбиталей. Существенное увеличение расщепления Е в аморфном А12Оз связано с уменьшением эффективного заряда в сфере А1. Направленность этих связей и их высокая энергия делают структурные группы достаточно жесткими. Плотность окси 11
да алюминия, в зависимости от модификации, изменяется в пределах 3.5-4.0 г/см3 [8]. В ряде работ плотность аморфного оксида алюминия (корунт) принимается равной 3.97 г/см3 [9]. Для уплотнения аморфных пленок полученных методом молекулярного наслаивания используется отжиг. В ранних работах было установлено, что отжиг приводит к переходу аморфного А12Оз в кристаллическую фазу у - А120 .
Наиболее распространенной и практически важной кристаллической модификацией оксида алюминия является корунд а - А1203, имеющий ромбоэдрическую кристаллическую структуру [10]. В структуре корунда атомы кислорода образуют неискаженную гексагональную плотную упаковку, а атомы алюминия располагаются симметрично в октаэдрических пустотах. Таким образом, каждый атом алюминия окружен 6 атомами кислорода, т. е. находится в октаэдрическом окружении (октаэдре), а атом кислорода окружен 4 атомами алюминия [11]. Другая модификация - у - А12Оъ является важным и распространенным материалом, который имеет кубическую структуру типа шпинели, но при некоторых условиях обнаруживает тетрагональную структуру [10]. Для данного соединения характерно соотношение тетраэдров и октаэдров 62.5 : 37.5 [12, 13]. Элементарная ячейка - моноклинная [12, 14].
В статье [15] методами, основанными на плотности функционала, исследовались изменения, происходящие в электронной структуре и диэлектрической константы полиморфных представителей оксида алюминия: устойчивой а - А1203 и три метастабильные фазы оксида алюминия к, в и у -А1203 (рисунок 1.1). Установлено, что расчетные значения ширины запрещенной зоны, находятся в соотношении а к в у (Её = в.12 эВ а - А1203, Её = 5.492 эВ к - Al203, Eg = 4.40 эВ у - Al203, Eg = 5.04 эВ в - А12Оъ). Данная закономерность объясняется на основе электростатических потенциалов в конкретных узлах решетки; в то время как катионы, занявшие четырёхгранные участки объясняют понижение действительной части проводимости в метастабильном оксиде алюминия, уменьшение ширины запрещенной зоны связаны с наличием вакансий вблизи валентной зоне - Al2O3.
В работе [16] методом ортогонализованных линейных комбинаций атомных орбиталей (ОЛКАО) рассчитаны спектры энергетических потерь для кристаллической модификации - Al2O3, для которой смесь тетраэдров и октаэдров получена в соотношении 50:50, элементарная ячейка – моноклинная.
Структура аморфного вещества с атомной точки зрения аналогична структуре жидкости. Поэтому аморфное тело можно рассматривать как переохлажденную жидкость. Аморфную структуру характеризуют следующие главные (структурные) характеристики: макроскопическая изотропность, наличие ближнего порядка и отсутствие дальнего порядка в расположении атомов. Аморфная структура имеет сложную субкристаллическую структуру, состоящую из микрокристаллических включений оксида. Размеры таких микрокристаллитов могут составлять от нескольких микрон до десятков ангстрем [17]. Понимание характеристик оксида в целом требует принимать во внимание этот кристаллоструктурный фактор. По сравнению с кристаллом оксида алюминия его аморфная структура, является более сложным объектом, физические свойства которого недостаточно изучены.
Большинство упоминаемых в литературе аморфных образцов синтезированные анодным оксидированием или радиочастотным осаждением, имеют значение длины связи Аl - O между 1.8 и 1.9 , и значение координационного числа (к.ч.) Аl между 4.1 и 4.8. Что касается координационного числа, следует предполагать, что пропорция многогранников числа тетраэдров (AlO4) и октаэдров (AlO6) зависит от метода синтеза.
Слои аморфной пленки Al2O3 полученные анодированием алюминий в растворе кислоты [18] могут быть разделен на два типа. Первый тип – пористый слой ("внешний"), полученный в растворе кислоты, который позволяет частичное растворение Al2O3 (например, серная кислота). Второй – непористые, однородные внутренние тонкие слои ("барьер"), сформированный в растворах, которые не диссоциируют оксид алюминия (например, борат натрия).
Авторами [19] проведено электронографическое изучение пленки, полученной анодным окислением в электролите борной кислоте. Координаты пиков суммарных парных корреляционных функций (СПКФ) оказались равными 175, 275 и 320 пм. Первая отвечает парам А1 - О, вторая – О - О и третья – А1 - А1. В работе Поповой И.А. [20] были исследованы такие же пленки толщиной 5 нм при максимальном векторе рассеяния К = 185 нм-1. Координаты пиков суммарной СПКФ оказались равными 182, 310 и 420 пм. Средние к.ч. z(А1 - О) = 6 и z(O - А1) = 4 [21]. Таким образом, практически все атомы алюминия находились в октаэдрическом окружении.
Нанесение пленок оксида алюминия методом молекулярного наслаивания
В первых работах для нанесения оксидных слоев алюминия методом МН в качестве первого прекурсора использовались галогениды металлов, в качестве второго прекурсора – пары воды [62]. Для создания достаточного давления паров летучих галогенидов необходимы высокие температуры. Выгодными свойствами галогенидов являются их высокая термическая устойчивость в широком температурном интервале, высокая реакционная способность и доступность по сравнению с другими летучими соединениями металлов. Малые размеры лигандов обеспечивают большую степень покрытия поверхности в каждом цикле. К недостаткам относятся высокая коррозионная активность продуктов синтеза, галогеноводородов, возможность включения атомов галогенов в слой покрытия, а также возможность образования твердых частиц при распаде в газовой фазе. В качестве других неорганических прекурсоров иногда используют нитраты металлов, несмотря на их невысокую термическую устойчивость [63]. T. Suntola с сотрудниками продемон-стировали реакцию AlCl3 / H2O чтобы вырастить Al2O3 [64].
Более низкие температуры синтеза обеспечивают алкилы металлов, которые как прекурсоры образуют высококачественные оксидные покрытия. В данной работе использованы следующие пары прекурсоров: триметилалю-миния (ТМА, Al(CH3)3) – вода (H2O) и триметилалюминия – азотная кислота (HNO3). ТМА использовался в качестве алюминия содержащего реагента, H2O и HNO3 использовали в качестве оксидо – содержащего реагента.
Синтез пленки Al2O3, выращенной из паров триметилалюминия с последующим гидролизом водяным паром является один из лучших примеров использования метода МН [65]. Для начала процесса важно, чтобы на поверхности подложки имелись функциональные группы, способные реагировать с одним из прекурсоров. Подходящим материалом являются многие твердые оксиды, имеющие на поверхности оксо - группы М - О - М и гидро-ксо - группы М - ОН. Так, например, при контакте S1O2 с парами А1(СН3)з происходят поверхностные реакции:
При исчерпании всех доступных для реакции поверхностных функциональных групп реакция прекращается. При этом поверхность «покрыта» другим типом функциональных групп (- СН. Необходимо удалить избыток прекурсора и продукт реакции, как из газовой фазы, так и адсорбированные на поверхности.
Затем в газовую фазу подается второй прекурсор (пары Н2О): (6) После вторичной продувки инертным газом можно считать, что: а) один цикл МН завершен; б) состав поверхностных функциональных групп такой же, как перед началом данного цикла; в) на подложку нанесен один мономолекулярный слой ,4/203.
Таким образом, один цикл МН состоит из 4 - х стадий: 1) реакция первого прекурсора с поверхностью подложки; 2) очистка поверхности; 3) реакция второго прекурсора с поверхностью подложки; 4) очистка поверхности.
Повторением данного цикла можно наращивать слой А1203 любой заданной толщины. Преимущество МН перед обычным способом проведения реакции когда оба реагента подаются одновременно на поверхность твердой подложки (такой режим проведения реакции обычно называют смесевым режимом или химическим осаждением паров (CVD)), в том, что исключается взаимодействие реагентов в газовой фазе и достигается прецизионный контроль толщины наносимого слоя материала.
Качество наносимого покрытия и прочность его сцепления с подложкой зависит от плотности заполнения поверхности первым слоем нового вещества, которая в свою очередь зависит: 1) от плотности расположения функциональных групп на поверхности, с которыми реагирует первый прекурсор; 2) от размеров лигандов в составе этого прекурсора.
Синтез пленки А12Оз, выращенной из паров триметилалюминия с последующим введением паров азотной кислоты:
Для увеличения плотности функциональных групп применяли специальную обработку поверхности монокристаллического кремния, его промывали в фтороводороде (HF) для удаления оксидной пленки, препятствующей ориентирующему действию подложки на структуру наращиваемого вещества, однако при этом с поверхности удалялись гидроксильные группы и она становится гидрофобной, поэтому после кремниевую пластину подвергали УФ – облучению для формирования оксо – и гидроксо – групп на очищенной поверхности [65]. В этом случае большое значение имеет последовательность использования прекурсоров.
Описание образцов и определение элементного состава оксидного слоя МДП – структур
Для создания металл – диэлектрик – полупроводник (МДП) – структур, в качестве подложки были использованы пластины p - Si (100) марки КДБ -10. Выбор Si в качестве подложки обусловлен тем, что характеристики границы раздела Al2O3 / Si слабо зависят от температуры синтеза диэлектрика [2, 3]. Оксид алюминия выращен методом ALD из смеси газов на кремниевой подложке p - Si (100) марки КДБ - 10. В качестве реагентов для образцов партии № 1 использовались триметилалюминия Al(CH3)3 (ТМА) и пары воды, для образцов партии № 2 использовались – ТМА и азотная кислота, две партии имели толщину оксида 100 нм. Образцы партий № 3 и № 4 получены с использованием в качестве реагентов триметилалюминия Al(CH3)3 (ТМА) и пары воды, имели толщину 78 нм и 36 нм, соответственно. Алюминиевые контакты площадью 0.24 мм2 наносились на диэлектрик термическим напылением в вакууме. Полученная МДП – структура имела качественную границу раздела (плотность поверхностных состояний 51011 см-2эВ-1), что позволяет исследовать электрофизические свойства самого диэлектрика и их зависимость от условий синтеза [85].Слои являются оптически прозрачными. Полученные пленки не подвергались отжигу, как известно такие пленки характеризуются дефицитом кислорода. Вакансия кислорода захватывает два электрона и является центром локализации дырок [15]. Наличие кислородной вакансии приводит к появлению в энергетическом спектре кристалла набора уровней энергии. В частности, появляется дополнительный уровень в запрещённой зоне, который не заполнен электронами. Незаполненные уровни, связанные с наличием дефекта, появляются выше дна зоны проводимости [3]. Образцы МДП – структур для электрических измерений были изготовлены в виде плоских конденсаторов. Толщина МДП образцов на основе Al2O3 составляла 0.3 мм.
Исследование структуры поверхности и определение элементного состава пленок производилось в низком вакууме (до 750 Па) с использованием сканирующего электронного микроскопа (SEM) Carl Zeiss EVO 40 [86]. Сканирующий электронный микроскоп (SEM) Carl Zeiss EVO 40 предназначен для получения изображений объектов в "прямых" электронах и электронах обратного рассеяния. Максимальное паспортное разрешение микроскопа составляет 3 нм. На практике разрешение несколько больше вследствие влияния вибраций и магнитных полей. Система микроскоп + управляющий компьютер показан на рисунке 2.5.
Сканирующий электронный микроскоп использует в условиях глубокого вакуума электронную пушку с горячим катодом из вольфрамовой проволоки и серию электромагнитных линз для бомбардировки образца узким пучком электронов. Ускоряющее напряжение находится в пределах 1 … 30 кВ. Вторичная электронная эмиссия используется для получения изображения в СЭМ путем обследования вариаций по поверхности объекта. В свою очередь детекторы обобщают эти данные и представляют на экране катодно – лучевой трубки с помощью другого синхронно сканирующего растра.
На рисунке 2.6 представлены сканы, при разрешении 10 мкм, поверхности аморфного оксида алюминия образцов партии № 1, она ровная с отдельными темными пятнами, которые, видимо, являются атомами углерода. На рисунке 2.7 представлены сканы, при разрешении 20 мкм, поверхности аморфного оксида алюминия образцов партии № 2. Поверхность не ровная, наблюдаются бугорки различной высоты с различным диаметром основания.
Из приведенных результатов стоит заметить наличие большого количества в образцах партий № 1 и № 2 Si K (76.50 ± 0.13) % от веса пленки, который характеризует материал подложки. Можно сделать вывод, что в пленках партии № 1 углерод распределен неравномерно и выходит на поверхность пленки. Из спектров образцов партии № 2 видно, что загрязнения углеродом на поверхности полностью отсутствуют, углерод находиться в ниже лежащих слоях пленки, и распределен практически равномерно. Наличие углеродосо-держащих примесей свидетельствует о формировании углеродистых кластеров имеющих графитоподобную структуру. По результатам [87] наличие областей обогащенных углеродом связано с более высокой концентрацией СН3 в первом монослое.
Для определения атомарного состава пленок были выбраны точки в указанных на сканах рисунков 2.6 и 2.7 местах, для которых получены спектры атомарного содержания пленок. В таблицах 2.1 и 2.2 приводятся данные весовых % и атомных % содержания химических элементов в пленках аморфного оксида алюминия.
Отношение атомов алюминия к атомам кислорода соответствует их координации в кристаллических фазах оксида алюминия. Глава 3 Поляризационные свойства слоев аморфного оксида алюминия
Расширение круга применяемых в микроэлектронике материалов требует получения для них качественных диэлектрических слоев при относительно низких температурах, позволяющих избежать деградации поверхности полупроводника. С этой точки зрения, перспективными являются слои аморфного оксида алюминия Al2O3, синтезируемые методом молекулярного наслаивания [88].
В данном разделе представлены результаты комплексного исследования поляризационных процессов в структурах металл – диэлектрик – полупроводник с Al2O3 в качестве диэлектрика методом диэлектрической спектроскопии. Исследовали образцы партии № 2 [92]. Температурно – частотные зависимости действительной части комплексной диэлектрической проницаемости характеризуются резким увеличением ее величины с уменьшением частоты и монотонным увеличением с ростом температуры [93] (рисунки 3.1 – 3.2). Как видно из рисунка 3.1, исследуемых образцов претерпевает существенную дисперсию. По мере увеличения частоты от 10-1 до 106 Гц значение уменьшается приблизительно в 5 раз. Наблюдаемое в экспериментах уменьшение диэлектрической проницаемости Al2O3 с частотой свидетельствует о проявлении механизма релаксационной дисперсии, обусловленной существованием дипольно – релаксационной поляризации [2].
В исследованной области температур (рисунок 3.2) диэлектрическая проницаемость возрастает с ростом температуры, что характерно для дипольно – релаксационного характера поляризации. Эти процессы, по – видимому, связаны с наличием положительно заряженных кислородных вакансий, возникших при синтезе Al2O3 на кремний [30].
Обнаруженный максимум (рисунок 3.3) и резкое увеличение до стационарного значения в области низких частот, также свидетельствуют о существовании механизма дипольно – релаксационной поляризации. Дипольно – релаксационная поляризация обусловлена прыжками носителей заряда между центрами с разными значениями энергии с образованием квазидиполей [89]. Релаксационный максимум в области частот от 10-1 до 104 Гц вероятно обусловлен вращательной деполяризацией немостиковых и примесных ионов.
Перенос заряда в аморфных пленках оксида алюминия на переменном токе
В данном разделе представлены результаты исследования процессов переноса заряда в тонких слоях аморфного оксида алюминия, выращенных методом ALD, на кремнии Si / Al2O3 / Al [95, 96, 97]. В качестве объекта исследования использовали образцы партии № 1. Для создания металл – диэлектрик – полупроводник (МДП) – структур, в качестве подложки были использованы пластины p - Si (100) марки КДБ - 10. Выбор Si в качестве подложки обусловлен тем, что характеристики границы раздела Al2O3 / Si слабо зависят от температуры синтеза диэлектрика. Оксид алюминия выращен методом МН из смеси газов: в качестве реагентов для исследуемого образца использовались триметилалюминия Al(CH3)3 (ТМА) и пары воды. Алюминиевые контакты площадью 0.24 мм2 наносились на диэлектрик термическим испарением в вакууме. Толщина оксидного слоя составляла 100 нм.
На рисунке 3.7 представлена частотная зависимость удельной проводимости при разных температурах. Из рисунка видно, что проводимость исследуемого образца слабо зависит от температуры и увеличивается с увеличением частоты внешнего переменного поля. На частотной зависимости можно выделить два участка: область низких и средних частот. В ходе эксперимента обнаружена степенная зависимость удельной проводимости от частоты в диапазоне низких частот по закону As. Показатель степени s 1 и монотонно уменьшается с температурой в пределах от (0.50 ± 0.01) до (0.32 ± 0.01) (рисунок 3.8), что говорит о существовании прыжкового механизма проводимости в данной области частот. Как известно, проводимость зонного типа является в основном частотно – независимой вплоть до 1010 – 1011 Гц. Наблюдаемая нами экспериментальная зависимость f 0.320.50 свидетельствует о том, что она обусловлена прыжками носителей заряда между локализованными в запрещенной зоне состояниями. C ростом температуры и частоты вероятность перескоков и их число повышаются, одновременно происходит делокализация носителей в пределах определенных групп состояний, что сопровождается уменьшением величины коэффициента s. Возможно, что в пленках Al2O3, обладающих разупорядоченной структурой, роль локализованных состояний выполняют в основном флуктуации плотности вещества [99]. Увеличение заполнения таких состояний с ростом температуры приводит не только к делокализации носителей, но и к общему увеличению проводимости.
Согласно существующим теоретическим представлениям локализованные состояния могут быть состояния вблизи краев разрешенных зон или состояния вблизи уровня Ферми [99]. Но так как в экспериментальных условиях проводимость по состояниям вблизи уровня Ферми всегда доминирует над проводимостью по состояниям вблизи краев разрешенных зон. Полученная нами закономерность f 0.320.50 свидетельствует о прыжковом механизме переноса заряда по состояниям, локализованным в окрестности уровня Ферми. Согласно [100] частотная зависимость проводимости выражается:
В диапазоне средних частот обнаружена степенная зависимость от частоты, но показатель степени s практически не изменяется с температурой, принимает значение s 0.96. На частотах выше 105 Гц частотная зависимость описывается квадратичной функцией. Эффективная подвижность электронов, участвующих в прыжковой проводимости не превышает 105 м2В-1с-1 [101].
При переносе заряда вследствие прыжковой проводимости по локализованным в запрещенной зоне состояниям следует учитывать, что эти состояния, случайным образом распределенные в объеме образца, разделены энергетическим барьером. Величина параметра s в частотной зависимости проводимости позволяет оценить разницу энергий между основным состоянием в энергетическом минимуме и свободным состоянием (высоту потенциального барьера Wm), в котором носитель может перемещаться по Al2O3 [102]
Расчеты величины Wm при разных температур приведены в таблице 3.2. С увеличением температуры высота потенциального барьера уменьшается.
В случае присутствия прыжкового механизма переноса заряда среднее расстояние прыжков r0 определяется по формуле [103]:
(3.4) Значение боровского радиуса локализации носителя заряда (среднее расстояние между центрами локализации заряда) принято равным 30 нм. Принимая значение ph равным 1012 Гц получаем среднее расстояние прыжков равным r0 = (761.56 ± 0.01) . Зная значение r0 и с учетом формулы (3.1) можно вычислить плотность локализованных состояний на уровне Ферми N(EF). При расчете на частоте 102 Гц, полученные значения приведены в таблице 3.2.
