Введение к работе
Актуальность темы.
Композитные металл-диэлектрические материалы представляют собой макроскопически однородную смесь металла и диэлектрика. В зависимости от соотношения концентраций структура материала может представлять собой либо частицы металла диспергированные в диэлектрической матрице, либо наоборот. Известно, что проводимость таких материалов резко меняется вблизи некоторой пороговой концентрации металлической фазы в соответствии с теорией протекания [1]. При концентрациях металла ниже порога протекания поведение проводимости таких материалов определяется размерами металлических частиц и свойствами разделяющих их туннельных барьеров. Электрический ток обусловлен туннелированием электронов по металлігческим гранулам, причем существенное влияние на особенности переноса заряда может играть изменение злектростатігческой энергии частицы в процессе туннелирования [2]. Более того, как было показано в последнее время [3], если в такой среде удается выделить достаточно тонкий и короткий проводник, в объеме которого содержится лишь небольшое количество металлических гранул, туннелирование происходит вдоль "оптимальной" цепочки гранул и могут наблюдаться явления характерные для одноэлектронного транспорта [4].
В отличие от литографически сформированных систем туннельных переходов, имеющих минимальные размерами порядка ~ 100x100 нм2, размеры металлических гранул образующихся в композитах составляют несколько нанометров. Поэтому в литографических структурах одноэлектронные эффекты становятся заметными при температурах порядка сотен мК, тогда как в композитах одноэлектронный транспорт может быть реализован при температурах вплоть до комнатной [3]. Создание одноэлектронных приборов способных работать при комнатной температуре представляет несомненный практический интерес.
Условия реализации одноэлектронных режимов протекания тока в композитах напрямую связаны со структурными параметрами материала (размерами металлических частиц, расстояниями между ними и свойствами диэлектрической среды), которые статистически
распределены в объеме образца. В связи с этим основной вопрос с
точки зрения практического применения заключается в обеспечении
воспроизводимости структурных параметров и возможности
управлении ими.
К настоящему времени исследованию различных аспектов связанных с получением, диагностикой и применением композитных металл-диэлектрических материалов посвящено значительное количество работ. Однако, как правило, в этих работах проводится изучение отдельных свойств, присущих этому классу материалов. Исследований, направленных на совместное изучение структуры композитного материала, возможностей ее модификации после напыления, электрических свойств и их зависимости от структуры практически не проводилось. В связи с этим проведенные в рамках данной работы исследования являются, несомненно, актуальными.
Цель диссертационной работы состояла в комплексном исследовании структурных и электрических свойств композитных металл-диэлектрических пленок Cu/SiOj при концентрациях металла ниже порога протекания.
Научная новизна работы и практическая ценность результатов работы.
Развиты существующие представления о структуре и химическом состоянии композитных металл-диэлектрических материалов. Исследована зависимость количества металла сегрегирующегося в крупные гранулы от плотности центров зародышеобразовання (плотность центров менялась в зависимости от дозы имплантации ионов инертного газа в пленку перед отжигом). Подробно исследовано поведение электрических контактов к композитным материалам, показана возможность формирования омических и блокирующих контактов.
В структурах туннельный контакт/металл-дизлектрігческая пленка/омический контакт обнаружен гистерезис вольт-амперных характеристик и эффект обратимой зарядовой памяти, обусловленные захватом инжектированных в пленку носителей заряда на доягоживушие состояния вблизи области туннельного контакта. При комнатной температуре обнаружено проявление одноэлектронных эффектов в проводимости сверхмалых объемов композитной пленки.
Практическая ценность данной работы состоит в том, что разработана технология получения композитных пленок медь-оксид
кремния методом магнетронного сораспыления, обеспечивающая заданные соотношение металла и диэлектрика. На основе данных полученных с использованием различных методов диагностики структуры показана возможность управления физическими свойствами композитных пленок Cu/Si02 путем варьирования параметров магнетронного распыления, режимов отжига, дополнительной имплантации ионов инертного газа. Разработаны способы формирования омического и туннельного контактов к композитным пленкам. Продемонстрирована возможность создания ячеек долговременной обратимой памяти на основе металл-диэлектрических пленок.