Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. В последние годы наблюдается резкое усиление интереса к алмазу, как к перспективному, материалу электроники.
Это связано с тем, что, по сравнению с традиционными полупроводниками - si и GaAs, алмаз имеет более высокие значения пробивного напряжения (до 10' В/см), наивысшую скорость дрейфа при насыщении (до 2.7-10^ см/с) и наибольшую, теплопроводность (до 20 Вт/см-К). Эти преимущества алмаза, вместе с высокой термической стабильностью, позволяют оптимистически оценивать перспективы его использования в мощных электронных приборах, предназначенных для эксплуатации в экстремальных условиях.
Наряду с работами по изготовлению и использованию алмазных пленок и монокристаллов синтетических и природных алмазов, большое внимание уделяется также и алшзоподобным пленкам (АПП) углерода, имеющим аморфную структуру и характеризующимся высокой концентрацией алмазных sp3 связей - до (70 + 80) % от общего числа углеродных связей. Эти пленки обладают привлекательными механическими свойствами (высокой твердостью и износоустойчивостью, малым коэффициентом трения и т. д.), высокой термической стойкостью и химической инертностью. Высокое удельное сопротивление углеродных АПП (свыше 10*5 Ом-см), низкая температура синтеза'. (100 + 200 -с) и высокая скорость роста этих пленок (~ I мкм/час) делают их применение в качестве пассивирующих и маскирующих покрытий в интегральных схемах и дискретных электронных- приборах весьма перспективным.
Возможность управления физическими свойствами АПП 'в процессе роста позволяет надеяться на успешное применение АПП и в качестве активных элементов
полупроводниковых приборов. Однако, в настоящее время этому препятствует недостаточная изученность электрофизических свойств АПП и их зависимости от параметров синтеза.
Кроме того, АПП могут служить удобными модельными объектами для исследования явлений электронного переноса в аморфных системах, структура которых остается стабильной до температур (700 + 900) к. Возможность управляемого введения металла в растущую пленку в широком диапазоне концентраций (до 70 + 80. ат. %) позволяет изменять- характер проводимости АПП от аморфного диэлектрика до систем типа "грязный металл" через область промежуточного состояния. При этом удельное сопротивление АПП уменьшается от (10*4 + iqI5) Ом-см до 10~4 Омск
ЦЕЛЬ РАБОТЫ состояла в комплексном изучении процессов электронного переноса в диэлектрических АПП углерода, содержащих вольфрам (до 4 ат. %) и кремний (~ 20 + 30 ат. %) в широком диапазоне температур (4.2 + 450 к), электрических (до 3-I06 В/см) и магнитных (до 6 Тл) полей.
Для этого проводились измерения:
1. Вольт-амперных характеристик пленок в интервале
температур (4. 2 + 400) к.
2. Зависимости проводимости от температуры при
различных значениях внешнего электрического поля (I02 +
3-Ю6) В/см. '
-
Магнетосопротивления . при Т = 4.2 к в диапазоне . внешних электрических полей (5-Iff* - і. 5-10?) В/см.
-
,Зависимости емкости от- температуры в интервале температур (90 + 500) к на частотах 100 и 1000 Hz.
Результаты измерений использовались для решения следующих основных задач:
1. Изучение эволюции механизмов электропроводности при
изменении концентрации вольфрама в АПП углерода от I до
4 ат. %.
2. Исследование различных режимов ' электронного
транспорта в широком диапазоне температур (4. 2 + 400) к
и электрических полей (іс + 3-іс) В/см.
3. Изучение влияния магнитного поля на проводимость АПП
углерода в области низких температур (4.2 к) и внешних
электрических полей (5 -Ш* + ІОР) В/см.
4. Определение основных электрофизических параметров
пленок: радиуса локализации и плотности состояний на
уровне Ферми, диэлектрической проницаемости, энергии
активации.
Создана экспериментальная методика, позволяющая проводить комплексное изучение электронного транспорта в диэлектрических объектах в диапазоне температур (4.2 + 450) к, магнитных полей до 6 Тл и внешних напряжений до 1000 В.
Показано, что при повышении концентрации вольфрама в АПП углерода происходит качественное изменение характера проводимости. Установлено, что в области предельно малых концентраций вольфрама (< I ат. %) в области температур (150 + 450) К электронный транспорт в сильных полях описывается механизмом термической активацией электрона в возбужденное состояние ловушки'с последующим туннелированием через потенциальный барьер на порог подвижности. При повышении концентрации вольфрама проводимость описывается эффектом Пулат Френкеля, характеризуемого двумя энергиями активации - 0.2 и 0.34 эВ,. величины которых немонотонно зависят от внешнего электрического поля. При дальнейшем 'повышении концентрации вольфрама (до ~ 4 ат. %)
наблюдается прыжковая проводимость Мотта в широком диапазоне температур (150 + 280 к).
При температурах Т < 100 К проводимость в сильном электрическом поле описывается моделью безактивационной прыжковой проводимости (модель Шкловского). В полях Е ~ (7+8)-10^ В/см происходит переход к туннелированию носителей непосредственно на порог подвижности из основного состояния ловушки.
При гелиевых температурах в полях .Е > 10^ В/см наблюдается положительное магнетосопротивление, позволяющее вычислить 'в модели безактивационной прыжковой проводимости Шкловского основные параметры исследуемых АПП углерода - радиус локализации и плотность состояний на уровне Ферми.
Показано, что при увеличении концентрации вольфрама от I до 4 ат. % радиус локализации возрастает с 14 до 17 А, а плотность состояний на уровне' Ферми увеличивается от io!^ до 2-10^ (эВ^сы?)-*.
Полученные в диссертационной работе результаты способствуют дальнейшему развитию знаний о механизмах электропроводности аморфных диэлектрических углеродных пленок . при варьировании технологических параметрах. Важность этих результатов связана с перспективами применения углеродных пленок в электронике и в других областях техники.
Полученные результаты позволяют также провести
сравнительный анализ углеродных АЛЛ, исследуемых в
настоящей работе с электрофизическими свойствами
углеродных пленок, полученных с использованием
.альтернативных методов синтеза.
Кроме того, результаты проведенных исследований способствуют дальнейшему развитию понимания процессов электронного переноса в неупорядоченных средах.
Основные результаты работы докладывались на Европейской конференции по алмазным, алмазоподобным и родственным покрытиям (Diamond F11 ids' 91) / 2-6 сентября, 1991 Ницца; на семинарах в ОИЯИ (Дубна, Россия); в Университете Пария-7 (Париж, Франция); в Камеринском Университете (Камерино, Италия); в центре Исследований при Сверхнизких Температурах, CRTBT (Гренобль, Франция).
По результатам диссертации опубликовано . четыре печатные работы.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ