Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время тонкопленочные
диэлектрики и структуры на их основе нашли широкое применение в
производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем. Тонкие
диэлектрические пленки, наносимые различными методами на
полупроводниковую подложку, используются для пассивации и изоляции
элементов интегральных схем, просветления поверхности
фотоэлектрических приборов и выполняют функции активных слоев в элементах памяти и переключателях. Сложные слоистые системы различного типа, в особенности системы МДП (металл - диэлектрик -полупроводник), приобрели в последнее время исключительную актуальность в связи с чрезвычайно широким их распространением з полупроводниковых приборах и физических исследованиях.
Особый интерес для полупроводниковой электроники представляет изучение новых физических явлений в слоистых структурах на основе диэлектриков и полупроводников. К числу таких явлений относится обнаруженный сравнительно недавно в некоторых тонкопленочных диэлектрических материалах эффект бистабильного переключения проводимости. Научный и практический интерес к исследованию данного явления обусловлен возможностью создания на его основе элементов постоянной репрограммируемой памяти, переключателей, других функциональных устройств. Несмотря на сравнительно большое число работ, посвященных эффекту переключения проводимости в различных материалах, многие вопросы, связанные с физикой данного явления, остаются невыясненными. В частности, отсутствуют либо противоречивы сведения о переходных процессах переключения, природе низкоомного состояния, практически не изучены механизмы токопереноса и процессы, протекающие при различных внешних воздействиях в тонкопленочных структурах, находящихся в низкоомном состоянии.
В этой связи актуальным представляется поиск новых перспективных материалов для создания активных слоев элементов памяти, обладающих высокими электрофизическими параметрами и характеристиками. Кроме того, исследование основных закономерностей процесса переключения в новых материалах расширяет объем сведений об этом явлении и способствует лучшему его пониманию.
К числу перспективных диэлектрических материалов для дискретных приборов полупроводниковой электроники и элементов микроэлектроники относятся ' фториды редкоземельных элементов (РЗЭ), которые характеризуются высокими значениями диэлектрической проницаемости и удельного сопротивления, обладают химической,
термической и радиационной стойкостью. Эти материалы могут использоваться в пленочных конденсаторах и в качестве подзатворных диэлектриков в полевых транзисторах, в роли защитных покрытий для лазерной оптики и оптических волноводов. Важной особенностью структур с пленками фторидов РЗЭ является обнаруженный нами эффект обратимого переключения проводимости с памятью. Структуры на основе этих материалов по таким своим параметрам, как кратность изменения сопротивления при переключении (106 - Ю7), время переключения (доли мкс), потребляемая энергия при переключении (~ ІО-г Дж), радиационная стойкость на несколько порядков превосходят известные аналоги. Актуальность исследования явления электрического переключения проводимости с памятью в структурах с пленками фторидов РЗЭ определяется как самой логикой развития знаний о свойствах пленок фторидов РЗЭ, так и требованием практического использования этих пленок в различных устройствах. С этой точки зрения представляется важным получение информации об электрических, фотоэлектрических и других свойствах структур с тонкопленочными фторидами РЗЭ в низкоомном состоянии, что позволяет указать перспективы применения как самого явления переключения, так и сопутствующих ему эффектов.
Другой актуальной задачей полупроводниковой электроники является поиск и исследование оптимальных материалов для просветления и пассивации поверхности фотоэлектрических приборов. Возможность оптимизации оптических и рекомбинационных характеристик поверхности путем нанесения тонкой диэлектрической пленки на полупроводниковую подложку имеет большое прикладное значение, так как до сих пор величина КПД солнечных элементов значительно ниже его теоретически возможного уровня. Среди соединений, перспективных для этих целей, выделяются фториды РЗЭ, которые изготавливаются при низкой температуре, обладают высокой прозрачностью в широкой области спектра и хорошей адгезией к поверхности полупроводника. Однако характеристики пленок фторидов РЗЭ и их просветляющие и пассивирующие свойства к моменту постановки данной работы не исследовались.
Целью настоящей работы является изучение явления электрического переключения проводимости с памятью в МДП - и МДМ - структурах на основе фторидов некоторых РЗЭ, исследование оптических и фотоэлектрических свойств структур с пленочными покрытиями из фторидов лантана, церия, самария, диспрозия, эрбия, неодима, гадолиния, тербия, иттрия, а также возможности использования пленок фторидов РЗЭ в качестве просветляющих слоев кремниевых фотоэлектрических приборов.
Научная новизна работы. Впервые исследованы основные закономерности эффекта электрического и термического переключения проводимости с памятью, обнаруженного в слоистых структурах на основе пленочных фторидов церия, диспрозия, эрбия. Изучена кинетика переключения проводимости из высокоомного состояния в низкоомное и обратно, исследована зависимость электрических параметров переключения от температуры окружающей среды, толщины диэлектрика, полярности приложенного напряжения. Предложен экспериментально обоснованный механизм явления электрического переключения проводимости в исследованных структурах из высокоомного состояния в низкоомное и обратно, сопровождаемого долговременной памятью.
Проведено целенаправленное исследование электрофизических и фотоэлектрических свойств МДП - структур с пленками фторидов РЗЭ в низксомном состоянии. На основе теоретического анализа низкоомного состояния МДП - структур с фторидами РЗЭ показано, что характеристики низкоомного состояния описываются моделью структуры металл -туннельный диэлектрик - полупроводник. Определены особенности механизмов токопереноса в МДП - структурах в низкоомном состоянии, обусловленные присутствием туннельно тонкого слоя диэлектрика на границе с полупроводником. Установлено, что в структурах, находящихся в низкоомном состоянии, при больших напряжениях в приповерхностной области кремния реализуется режим лавинного умножения. Экспериментально обнаружено и теоретически подтверждено, что в зависимости от состояния поверхности кремния в МДП - структурах после переключения в низкоомное состояние может устанавливаться режим инжекционного усиления фототока или эффект накопления неосновных носителей заряда на поверхности полупроводника.
Проведено комплексное исследование оптических свойств пленочных фторидов РЗЭ, нанесенных на различные подложки. Выяснено влияние диэлектрических покрытий из фторидов РЗЭ на изменение оптических и фотоэлектрических характеристик кремниевых п+ - р - р+ структур, обусловленное просветляющим и пассивирующим действием данных пленок.
Практическая ценность работы. Результаты работы могут
использоваться при разработке приборов с применением диэлектрических
пленок из фторидов редкоземельных элементов. Обнаруженный в МДП -
структурах на основе пленок фторидов редкоземельных элементов эффект
бистабильного переключения проводимости с памятью и теплового
переключения открывает возможности для создания на основе пленок
фторидов редкоземельных металлов элементов постоянной
репрограммируемой памяти с малыми энергиями переключения и высоким быстродействием (Рожков В.А., Шалимова М.Б., Романенюо Н.Н. Элемент памяти. АС № 1585834 15.04.90 г. Приоритет от 1.11.88 г. по заявке № 4601805).
Исследованный эффект внутреннего усиления фототока, обнаруженный в МДП - структурах в низкоомном состоянии, перспективен для разработки высокочувствительных фотоприемников с широким диапазоном спектральной чувствительности.
Использование пленок фторидов РЗЭ в качестве диэлектрических покрытий позволяет уменьшить оптические и рекомбинационные потери в кремниевых фотоэлектрических приборах, увеличить фототок короткого замыкания полупроводниковых фотопреобразователей более чем на 50 % и создать эффективные фоточувствительные приборы.
На зашиту выносятся:
-
Результаты экспериментального исследования эффекта электрического переключения проводимости с памятью в МДП и МДМ структурах с пленочными фторидами РЗЭ. Закономерности эффекта термического переключения проводимости в данных структурах.
-
Физическая модель низкоомного состояния МДП - структур с фторидами РЗЭ.
-
Закономерности усиления фототока и зависимость величины фоточувствительности кремниевых МДП - структур с фторидами РЗЭ от состояния поверхности кремния после переключения.
-
Оптические и фотоэлектрические свойства кремниевых фоточувствительных структур с просветляющими слоями из пленочных фторидов РЗЭ.
Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Всесоюзной научной конференции "Состояние и перспективы развития микроэлектронной техники" (Минск, 1985 г.), XII Всесоюзной научной конференции по микроэлектронике (Тбилиси, 1987 г.), IV Всесоюзной конференции по физике и химии редкоземельных полупроводников (Новосибирск, 1987 г.), Всесоюзной конференции по физике диэлектриков. Секция "Электрофизика слоистых структур", (Томск, 1988 г.), IXВсесоюзном симпозиуме "Электронные процессы на поверхности и в тонких слоях полупроводников" (Новосибирск, 1988 г.), V Всесоюзной конференции по физике и химии редкоземельных полупроводников (Саратов, 1990 г.), Российской научно-технич. конференции по физике диэлектриков с международным участием "Диэлекгрики-93" (Санкт-Петербург, 1993 г.), конференции "Проблемы и прикладные вопросы физики" (Саранск, 1993 г.), Российской научно-технич. конф. Новые
материалы и технологии, (г. Москва, 1994 г.), The Dielectrics Society 28th Annual Conference (Darwin College, University of Kent at Canterbury, 1997), Международной научно - технич. конф. по физике твердых диэлектриков "Диэлектрики - 97" (Санкт - Петербург, 1997 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 21 печатная работа, з тем числе 8 статей, 1 авторское свидетельство, 12 тезисов докладов на научно-технических конференциях и семинарах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы из 155 наименований, содержит 65 рисунков, 15 таблиц. Общий объем диссертации составляет 188 стр.
