Введение к работе
Актуальность работы. Халькогенидные сплавы сложного состава все больше привлекают внимание исследователей в связи с расширением области их использования в многочисленных устройствах микроэлектроники и оптоэлектроники. Так, в последнее десятилетие пристальный интерес вызывают работы по созданию устройств энергонезависимой фазовой памяти (Phase Change Memory или PCM), работающих на принципе обратимого фазового перехода «аморфное – кристаллическое состояние». Локальные структурные трансформации в наноразмерном слое материала осуществляются за счет электрического импульса или импульса света. Одним из успешных примеров практического использования данного эффекта является создание оптических дисков формата DVD-RW. В настоящее время существует реальная возможность создания на их основе конкурентоспособных устройств, которые могут потеснить на рынке традиционную флэш-память.
Помимо этого значительный интерес вызывают исследования, связанные с изучением влияния примесей на процессы электропереноса и зарядообразования в халькогенидных стеклообразных полупроводниках (ХСП). Это связано с появлением нового способа легирования, когда осуществляется сораспыление исходного ХСП и легирующего элемента на холодную подложку (так называемый метод модифицирования, или холодное, неравновесное легирование) и с перспективами получения полупроводниковых материалов с p- и n- типом проводимости и, как следствие, конструирования pn- переходов на их основе.
Однако, несмотря на все более расширяющуюся область практического применения халькогенидных стеклообразных полупроводников (и, в частности, триселенида мышьяка As2Se3, являющегося классическим представителем ХСП), в настоящее время отсутствует единое представление о роли примеси для этих соединений. Более того, общепринятая ранее в физике легированных ХСП модель Губанова-Мотта, описывающая причины отсутствия влияния примесей на электрические свойства халькогенидных стекол, в последнее время демонстрирует очевидное несоответствие с экспериментальными фактами.
Не лишены недостатков и теоретические разработки, пытающиеся объяснить новые экспериментальные данные, связанные с обнаружением примесной проводимости в халькогенидных стеклообразных и модифицированных полупроводниках. Так, в частности, модель, основывающаяся на предположении о существовании в легированных ХСП областей с повышенной координацией атомов, испытывает затруднения при объяснении причин, по которым технологические отличия в способах получения модифицированных пленок As2Se3(Bi)х могут приводить к значительному превышению концентрации акцепторов над донорами в слоях, полученных термическим испарением в вакууме и к обратному соотношению в пленках, изготовленных методом высокочастотного напыления.
В связи с этим, актуальным остается вопрос исследования влияния таких технологических факторов, как метод получения пленок и введения в них примесей на электронные свойства халькогенидных стекол.
Цель работы. Установление влияния способа получения и легирования примесью висмута на поляризационные явления в слоях триселенида мышьяка
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
-
Изучить закономерности поляризационных явлений в нелегированных образцах, полученных методами термического испарения в вакууме и ионно-плазменного высокочастотного напыления.
-
Исследовать влияние примеси висмута на поляризационные явления данных слоев.
-
Интерпретировать полученные результаты в рамках адекватных им модельных представлений.
-
На основе использованной методики определить ключевые параметры поляризационных процессов в исследуемых материалах.
-
Проанализировать полученные параметры и характеристики с точки зрения их информативности для диагностики структурных особенностей изучаемых составов и разработать соответствующие технические рекомендации.
Научная новизна. В отличие от выполненных ранее исследований электрических свойств халькогенидных стеклообразных и аморфных полупроводников в связи со способом их получения и наличием легирующих примесей, где главным образом изучалась статическая проводимость, в настоящей работе предпринято исследование поляризационных явлений. В результате получены следующие новые научные результаты:
-
Установлены закономерности поведения изотермической токовой релаксации и дисперсии составляющих комплексной диэлектрической проницаемости слоев триселенида мышьяка в различных и широко изменяющихся внешних условиях, свидетельствующие о влиянии способа получения (термическое испарение, высокочастотное напыление) и наличия легирующей примеси висмута на поляризационные явления.
-
Определены ответственные за наблюдаемые поляризационные явления факторы и процессы, к числу которых относятся: изменения в строении изучаемых материалов (кластеризация легирующей примеси в упорядоченных областях; особенности энергетического спектра локализованных состояний в квазизапрещенной зоне) и эстафетный механизм переноса заряда по локализованным центрам.
-
На основании полученных результатов определены основные параметры, обусловливающие поляризационные процессы
Основные положения, выносимые на защиту:
-
В МДМ-структурах Al-As2Se3-Al, помещаемых в постоянное электрическое поле, протекают интенсивные поляризационные процессы, сопровождающиеся, в частности, уменьшением величины энергии активации проводимости с течением времени действия прикладываемого напряжения.
-
Замедление процессов релаксационной поляризации и уменьшение значения диэлектрической проницаемости в слоях As2Se3, полученных методом термического испарения, по сравнению с пленками, приготовленными способом высокочастотного напыления, обусловлено различием их электронной структуры.
-
Легирование висмутом влияет на поляризационные явления исследуемых материалов, обуславливая, в частности: увеличение скорости спада изотермической токовой релаксации на начальном участке; значительное увеличение диэлектрической проницаемости e в области инфразвуковых частот; усиление ее дисперсии в этом диапазоне и появление дополнительных по сравнению с нелегированными образцами участков на кривых e(f), где наблюдается рост значения e при уменьшении частоты.
-
Функция распределения времен релаксации, восстановленная из экспериментальных данных по изотермической токовой релаксации информативна для определения содержания легирующей примеси и может быть рекомендована для использования в технической диагностике изучаемых материалов.
Теоретическая значимость работы. Полученные экспериментальные результаты исследования диэлектрических и релаксационных свойств модифицированных слоев триселенида мышьяка вносят вклад в физику электронных явлений в легированных халькогенидных стеклообразных и аморфных полупроводниках и в разработку теоретических основ технологии получения новых материалов с необходимыми функциональными свойствами.
Практическая значимость работы. В рамках выполненной работы даны научно-технические рекомендации по практическому использованию разработанных методик исследования процессов переноса и накопления заряда в легированных структурах на основе As2Se3, которые, в частности, могут быть применены при разработке устройств микроэлектроники (например таких, как р-n переходы), а также оптических волноводов высокой плотности на основе As2Se3, легированного Bi.
Выявленные особенности функции распределения времен релаксации и ее структурная чувствительность к такому технологическому фактору, как легирование состава могут быть использованы для оценки процентного содержания примеси в стекле.
Результаты работы используются в учебном процессе при подготовке студентов и аспирантов на физическом факультете, обучающихся в области физики полупроводников и физики конденсированного состояния.
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:
№ 26/11-ЗН «Исследование состояния и поведения примесных атомов в кристаллических и стеклообразных фоточувствительных полупроводниках»
1. № 26/11-ЗН «Исследование состояния и поведения примесных атомов в кристаллических и стеклообразных фоточувствительных полупроводниках»
2. № 50/12-ГЗП «Синтез и исследование электрофизических свойств новых наноструктурированных композиционных материалов, перспективных для использования в микро- и оптоэлектронике»
Достоверность и научная обоснованность обеспечивались комплексным характером исследования, корректностью использованных экспериментальных методик и воспроизводимостью результатов измерений, применением методов математической обработки данных, сопоставлением экспериментальных результатов с литературными данными.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих международных и всероссийских конференциях: Межд. научн.-тех. конф. “Полиматериалы-2003” (Москва, 2003 г.); Х Межд. конф. “Диэлектрики – 2004” (Санкт-Петербург, 2004 г.); VI Межд. конф. “Аморфные и микрокристаллические полупроводники – AMS VI” (Санкт-Петербург, 2008 г.); Всерос. научн.-практ. конф. “Физические явления в конденсированном состоянии вещества” (Чита, 2009 г.); Intern. Conf. “Micro- and nanoelectronics-2009 - ICMNE-2009” (Zvenigorod, 2009 г.); VII Межд. конф. “Аморфные и микрокристаллические полупроводники – AMS VII” (Санкт-Петербург, 2010 г.); ХII Межд. конф. “Диэлектрики – 2011” (Санкт-Петербург, 2011 г.); VIII Межд. конф. “Аморфные и микрокристаллические полупроводники – AMS VIII” (Санкт-Петербург, 2012 г.) и научных семинарах кафедры физической электроники РГПУ им. А. И. Герцена.
Публикации. По результатам исследования опубликовано 12 печатных работ, в том числе, 7 статей в российских научных реферируемых журналах, в трудах всероссийских и международных научных конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы. В работе 120 страниц сквозной нумерации, 32 рисунка, 4 таблицы, список литературы включает 160 наименований.
