Введение к работе
. Актуальность проблемы.
В последнее время возрос интерес к созданию малогабаритных тепловизионных камер и инфракрасных (ИК) приемных устройств, в которых в качестве чувствительного элемента используются матрицы из неохлаждаемых тепловых приемников излучения (ТПИ) [1,2]. К ТПИ относят термопары и болометры, оптико-акустические и пироэлектрические приемники. В настоящее время активно создаются матрицы ТПИ по технологии микроэлектромеханических систем (MEMS), позволяющие достичь параметров (по чувствительности, быстродействию и шумам), близких к теоретическому пределу для неохлаждаемых ТПИ[2]. Конструктивно ТПИ состоит из тонких чувствительного и поглощающего слоев. Чувствительный слой, например, микроболометра обычно изготовлен из аморфного слоя полупроводника с высоким значением температурного коэффициента сопротивления (ТКС). ТПИ, как правило, работает без системы криогенного охлаждения, что существенно уменьшает вес, стоимость и упрощает построение ИК приемного модуля и, в конечном счете, приводит к более надежной работе всего приемного модуля в целом. В отличие от фотонных приемников излучения ТПИ не имеют границы длинноволновой чувствительности.
Однако наличие нескольких слоев в ТПИ существенно ухудшает его теплофизические свойства, что выражается в увеличении теплоемкости и приводит к увеличению инерционности отклика прибора на его основе. Поэтому необходима разработка новых композиционных материалов, совмещающих в себе функции поглощающего и термочувствительного слоев, а также совместимых с существующей кремниевой технологией в микроэлектронике[3,4]. Перспективными материалами для создания неохлаждаемых ТПИ могут быть оксидокремниевые композиты, которые могут быть получены путем окисления либо слоя пористого кремния, либо микропорошка кремния. В этом случае может быть достигнута их совместимость с существующей кремниевой технологией в микроэлектронике.
Таким образом, исследования электрофизических свойств оксидокремниевых композитов, определяющих их возможности использования в ТПИ, является актуальной задачей, особенно в связи с возрастающей ролью матриц неохлаждаемых ТПИ в микроминиатюрном исполнении. При этом одним из основных процессов, определяющих рабочие свойства ТПИ, является процесс токопереноса, в котором основополагающую роль играют процессы захвата, рекомбинации носителей заряда с участием ловушек как центров захвата.
Целью диссертационной работы являлось установление основных закономерностей переноса носителей заряда, а также выяснение природы ловушек и механизма их участия в процессах переноса носителей заряда, как в окисленном микропорошке кремния, так и в окисленном пористом кремнии при вариации в широких пределах степени пористости и морфологии пор в исходном пористом кремнии.
В этой связи, основными задачами работы являлись:
Разработка программно-аппаратного комплекса для исследования термостимулированных и фотостимулированных процессов в неупорядоченных низкоразмерных системах с целью получения данных о свободных и локализованных носителях заряда, а также термически и фотоактивируемых центрах захвата носителей заряда (ловушках).
Исследование параметров ловушек в оксидокремниевых композитах (гетерогенных композициях Si-SiCb), включающих энергию активации, концентрацию, сечения захвата и частотный фактор ловушек, которые оказывают существенное влияние на процессы токопереноса.
Выяснение закономерностей переноса носителей заряда в оксидокремниевых композитах различной морфологии, полученных по методам различных технологий формирования окисленного пористого кремния и окисленного микропорошка кремния.
Научная новизна работы.
В представленной работе впервые проведен комплексный анализ транспортных и
термоактивационных свойств оксидокремниевых композитов, изготовленных по
различным технологиям. Оценены основные электрофизические параметры ловушек в
оксидокремниевых композитах (концентрация, энергия активации и величина
захватываемого заряда, время релаксации для глубоких и мелких ловушек) при различной степени структурной неупорядоченности в исследуемых структурах.
Впервые установлено наличие ловушек с одинаковыми энергиями активации и близкими значениями частотного фактора в оксидокремниевых композитах, полученных по различной технологии.
Установлено, что перенос носителей заряда в исследуемых структурах описывается совокупностью туннельного и прыжкового механизмов переноса через туннельно-тонкие диэлектрические слои, разделяющие нанокластеры кремния. Предложена модель переноса носителей заряда, учитывающая туннельный перенос в туннельно-тонких диэлектрических слоях и прыжковый механизм переноса в более толстых диэлектрических прослойках между нанокластерами кремния. Предложенные модели позволяют прогнозировать транспортные свойства оксидокремниевых композитов в диапазоне температур ШОК - 600К.
Практическая значимость работы.
1. Разработаны численные модели и программный комплекс, позволяющие проводить моделирование электрофизических характеристик оксидокремниевых композитов на основе Si-SiCb. Моделирование обеспечивают прогнозирование и корректную интерпретацию результатов экспериментальных исследований транспортных свойств
оксидокремниевых композитов и могут использоваться для получения новых видов оксидокремниевых композитов с заданными свойствами
Разработаны установки и методы тестирования получаемых материалов. Разработанные установки с успехом могут быть использованы при постановке лабораторных работ и дипломном проектировании.
На основе исследованных оксидокремниевых композитов показана возможность создания неохлаждаемых ТПИ по технологии МЕМС
Научные положения, выносимые на защиту.
Способ получения различных по структуре и свойству оксидокремниевых композитов на основе матрицы SiCb с включениями кластеров Si нанометровых размеров.
Во всех типах композитов присутствует высокая плотность ловушек для электронов, обусловловленная разорванными Si-О связями, которые локализованы как в объеме SiCb, так и в области межфазных границ Si-SiCb и характеризуются различными значениями энергии активации и частотного фактора.
Перенос носителей заряда в оксидокремниевых композитах обусловлен их туннельным переносом через МФГ Si-SiCb и прыжковым транспортом по системе состояний, локализованных в SiCb. Преобладание того или иного механизма переноса носителей заряда зависит от типа композита и его температуры.
Изменение структуры и состава оксидокремниевых композитов позволяет управлять их электрофизическими свойствами, включая эффективную подвижность носителей заряда и их концентрацию, что дает возможность использовать композиты в различных областях электронной техники.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены на Международной научно-технической конференции «Диэлектрики-2000»(СПб,2000), Международной конференции по физике полупроводников «Полупроводники-2003» (СПб,2003), Международной конференции по микро и наноэлектронике «ICMNE-03»(3венигород, 2003), Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения «Микрофотоника-04»(Москва,2004), Международной научно-технической конференции по аморфным полупроводникам «AMS-04»(Cn6,2004), Международной конференции по микро и наноэлектронике <<1СММЕ-05»(Звенигород, 2005), Международной научно-технической конференции по аморфным полупроводникам «AMS-06»(CII6,2006).
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 20 печатных работах, включая 4 статьи в реферируемых журналах, 10 трудах Международных научно-технических конференций и 6 тезисах докладов на Международных научно-технических конференциях.
Структура и объем диссертации.
