Введение к работе
Актуальность темы
Начало создания приборов на основе стеклообразных полупроводников было положено открытием Коломейцем Б.Т. и Лебедевым Э.А. в 1963 г эффекта переключения в халькогенидных стеклообразных полупроводниках (ХСП). Наличие эффекта переключения с "памятью" и без памяти, повышенная радиационная стойкость послужили предпосылкой для создания на основе ХСП активных элементов, которые обладают широкими функциональными возможностями. На базе эффекта переключения с "памятью" можно создавать коммутирующие пороговые приборы, логические схемы с "памятью" с высокой скоростью считывания, схемы многозадачной логики и так далее. Одним из наиболее перспективных направлений применения ХСП является создание репрограммируемых постоянно запоминающих устройств с электрической перезаписью информации, устойчиво работающих при повышенных уровнях радиации. Для создания таких устройств необходим не только элемент памяти, устойчиво работающий при повышенных уровнях радиации, но и устройства, управляющие его работой в этих же условиях.
В настоящее время для создания элементов памяти используется состав GeisTesiAs^. Элемент памяти на основе этого состава обладает хорошими переключающими характеристиками и высокой стабильностью переключения. Недостатком является относительно высокое пороговое напряжение, в зависимости от конструкции оно составляет от 15 до 25 В. Длительное время для создания переключающих элементов использовали ХСП состава GeioSii2As3oTe48, предложенного С. Овшинским. Дальнейшие исследования показали, что при частичной замене Ge и Si іча Ga в этом составе увеличивается ста-эильность электрических параметров. В более поздних работах пока-іано, что добавление Pb, Sb, Си в халькогенидные стеклообразные юлупроводники на основе системы Te-Ge приводит к уменьшению юрогового напряжения. Для данной системы обнаружена корреляция іежду средней энергией химической связи системы и пороговым на-[ряжением переключения. Следовательно, для создания стабильных іереключающих элементов с небольшим пороговым напряжением
2 необходимо применять ХСП, в состав которых входят атомы Ga и металлов с малой энергией связи. Наименьшей энергией металлической связи обладают элементы главной подгруппы, такие как ртуть, сурьма, таллий, свинец и олово, но введение ртути и сурьмы приводит к кристаллизации стекол. Исходя из перечисленных фактов, для исследования была выбрана система Ga- Те - X, где X - свинец, таллий, олово.
Для создания развязывающих элементов в ячейке памяти необходимо использовать транзисторы или диоды, а для этого необходимы полупроводники обоих типов проводимости (электронного и дырочного типов). В настоящее время существует несколько систем халькогенидных стеклообразных полупроводников, обладающих электронным типом проводимости, на основе системы Ge-Se. Условия инверсии типа проводимости сильно зависят от метода получения образцов. Одним из перспективных методов получения аморфных халькогенидных пленок является метод плазмохимического осаждения из газовой фазы (ПХОГФ), который широко используется для получения слоев a—Si:H. Следовательно, очень важной и актуальной является задача установления взаимосвязи между методами получения и электрофизическими свойствами халькогенидных пленок.
Цель работы Исследование влияния методов получения халькогенидных стеклообразных полупроводников системы Ge-Se на электрофизические свойства и определение влияния добавок ТІ, Pb, Sn на переключающие характеристики приборов на основе системы Ga-Te для создания ячейки памяти, устойчиво работающей при повышенных уровнях радиации.
Постановка задачи 1. Провести анализ моделей инверсии типа проводимости в халькогенидных стеклообразных полупроводниках с собственной проводимостью на основе кванто . -химического подхода.
-
Определить влияние методов получения образцов халькогенид-ной системы Ge-Se на электрофизические параметры.
-
Установить влияние олова, таллия и свинца на оптические и транспортные свойства стеклообразных объемных образцов и аморфных пленок на основе системы Ga-Te.
-
Разработать ячейку памяти на основе халькогенидньгх стеклообразных полупроводников.
Научная новизна работы.
-
Установлена закономерность изменения электрофизических свойств в системах Ga-Te-X (X = Pb, Sn, ТІ) от доли химической связи Х-Те. Показано, что с увеличением количества связи Х-Те для пленочных и объемных образцов происходит уменьшение энергии активации электропроводности, оптической ширины запрещенной зоны, термоэдс и увеличение удельной электропроводности. Для объемных образцов эти зависимости более близки к линейному закону.
-
Экспериментально установлено, что пленки, полученные методом плазмохимического осаждения из газовой фазы (ПХОГФ), имеют те же структурные единицы, что и монолитные образцы. Оптическая ширина запрещенной зоны и удельная электропроводность для пленок Ge-Se, полученных методом ПХОГФ, больше на 2,1 - 9,2 % (в зависимости от химического состава), чем для пленок, полученных термическим напылением в вакууме, и на 2,3- 4,8 % для монолитных образцов, полученных методом сплавления.
-
Теоретически показано, что введение висмута (свинца) в систему GeSe3,5 приводит к образованию молекулярных орбиталей за счет образования связей Bi-Se (Pb-Se). При этом по энергии связывающие орбитали химической связи Bi(Pb)-Se попадают в область потолка валентной зоны, которая образована в халькогенидных полупроводниках одиночными парами атомов Se. Это приводит к нарушениям в валентной зоне, что в свою очередь связывается с уменьшением подвижности дырок. При некоторой концентрации атомов Bi (РЬ) подвижность дырок становится меньше, чем для электронов, что свидетельствует о переходе от дырочного типа проводимости к электронному.
4 4. Экспериментально показано, что запоминающий элемент на основе состава Ga]6Te76Sng, обладает на 60 % меньшим пороговым напряжением (5 В) и большим температурным диапазоном (до + 90 С) по сравнению с раннее используемым составом Gei5TegiAs4 при одинаковых конструкциях элемента.
Практическая ценность работы
-
Исследовано влияние режимов получения аморфных пленок Ge-Se методом плазмо-химического осаждения из газовой фазы на их химический состав. Варьируя соотношением газов GeK» и Нгве, общим давлением в реакторе можно получать пленки в широком диапазоне химического состава от Ge2Se до GeSe3.
-
Рассчитана топология ячейки памяти на основе халькогенидных стеклообразных полупроводников с учетом плотности состояний в щели подвижности. Ячейка памяти обладает следующими электрическими параметрами: пороговое напряжение 5 В, ток записи низ-коомного состояния 1,6 мА, ток стирания низкоомного напряжения 80 мА.
Реализация результатов работы Методика измерения переключающих характеристик элементов памяти на основе ХСП внедрена в лабораторный практикум для студентов специальности 200200.
Положения, выносимые на защиту 1. Для халькогенидных стеклообразных полупроводников системы Ge-Se с собственным типом проводимости инверсия типа проводимости объясняется тем, что введение Bi приводит к образованию связывающих орбиталей, которые попадают в область потолка валентной зоны, образованной одиночными парами халькогена. Это приводит к нарушениям в валентной зоне, что в свою очередь связывается с уменьшением подвижности дырок. При некоторой концентрации добавок подвижность дырок становится меньше подвижности электронов, а это является условием перехода от р- к п-типу проводимости.
-
Для пленок GexSeioo-x, полученных методом ПХОГФ, ширина запрещенной зоны увеличивается с ростом х и достигает максимального значения 2,26 эВ при х = 33, а затем уменьшается до 1,82 эВ при х = 40.
-
Установлена корреляция между электрофизическими свойствами системы Ga-Te—X (где X-Sn, Pb, ТІ) и концентрацией структурной единицы Те-Х. При этом для состава Ga22Te7oXg при замене Sn на РЬ и на ТІ происходит уменьшение оптической ширины запрещенной зоны (от 0,91 до 0,81 эВ), энергии активации электропроводности (от 0,62 до 0,45 эВ) и энергии активации термоэдс (от 0,56 до 0,41 эВ), и увеличение удельной электропроводности (1,1610 до 2,5310" Ом" 'см"1). В переключающих элементах на основе этой системы происходит уменьшение порогового напряжения (от 72 до 48 В). Эти изменения связаны с уменьшением средней энергии связи в веществе.
-
Экспериментально установлено, что переключающий элемент на основе состава Gai6Te76Sri8 обладает меньшим пороговым напряжением (5 В) и большим температурным диапазоном (до + 90 С) по сравнению раннее используемым составом Gej5Te8)As4 при одинаковом конструкционном исполнении элемента.
Апробация работы Основные результаты работы, полученные в данной диссертации, докладывались на научном семинаре, посвященном памяти профессора Василия Васильевича Тарасова "Новые идеи в физике стекла" (Москва, 1997 г.), на научном семинаре "Решетки Тарасова и новые проблемы стеклообразного состояния" (Москва, 1999 г.) и всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов (Рязань, 1997 г.). Результаты,положенные в основу диссертации опубликованы в 6 работах.
Объем и структура диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка цитируемой литературы, включающего 96 наименований. Общий объем работы составляет 116 страниц печатного текста, 45 страниц рисунков и 14 таблиц.
