Введение к работе
Актуальность работы. Анодные оксидные пленки на тантале и алюминии широко используются в качестве рабочего диэлектрика конденсаторов. Многие исследователи отмечали влияние на электрофизические свойства оксидных пленок их состава и структуры.
Важной структурной особенностью анодных оксидов, обусловленной условиями их формирования и эксплуатации, является наличие в них водорода. В ряде работ, присутствием в оксидных пленках водорода объясняется ухудшение их электроизоляционных свойств. Различные представления о протонном переносе в оксидных пленках привлекаются для интерпретации эффекта униполярной проводимости оксидных конденсаторных систем, состоящего в высоком уровне их проводимости при катодном включении.
Установление роли водорода в формировании свойств оксидного диэлектрика имеет важное значение как для практических задач, связанных с технологией изготовления конденсаторов, так и для задач по определению механизмов переноса в оксидах заряда.
Шесте с тем, в литературе отсутствуют результаты количественного анализа водорода в оксидных слоях, что не позволяет надежно установить его роль в формировании структуры и свойств оксидного диэлектрика. Поскольку содержание в пленках водорода может зависеть от их строения, решение такой задачи представляется возможным на основе комплексного исследования свойств оксидов, включая анализ элементов основы и атомной структуры пленок.
Цель работы состояла в установлении взаимосвязи процессов переноса заряда в аморфных диэлектрических оксидах тантала и алюминия с их элементным составом и структурой. В задачи работы входило.
-
Определение концентрационных профилей элементов состава в оксидах в зависимоси от условий их формирования и нагружения.
-
Сравнительный анализ электронных свойств анодных оксидов близких по составу к стехиометрическому и гидрированных.
-
Исследование процессов переноса протонов в оксидных слоях в условиях их катодной поляризации в конденсаторных системах. Анализ изменений структуры и свойств оксидов, обусловленных инжекци-ей протонов.
-
Разработка электрофизических методик диагностического контроля качества конденсаторных систем с оксидным диэлектриком на основе их структурно-чувствительных характеристик.
Научная новизна. 1.Установлены содержание и распределение элементов основы и водорода в анодных слоях тантала и алюминия. На основе анализа состава и структуры оксидов в зависимости от условий их формирования показано, что концентрационные профит водорода могут рассматриваться как структурно-чувствительная характеристика. Выявлены технологические операции на которых в оксидном диэлектрике имеет место протонный транспорт.
-
Установлены основные закономерности электронного переноса в анодных оксидах близкого к стехиометрическому состава в широком интервале внешних параметров: зависимости проводимости на постоянном токе от температуры и напряжения, частотная зависимость проводимости в области инфразвуковых и звуковых частот, в том числе при наличии постоянного смещающего напряжения, фотоиндуци-рованная диэлектрическая релаксация, оптическое поглощение в до-пороговой области. ГЬказало, что электронный перенос в аморфных оксидах может быть описан в рамках теории прыжковой электропроводности в неупорядоченных материалах с сильной локализацией носителей заряда.
-
Проанализированы электронная структура анодных оксидов тантала и алюминия в зависимости от их состава lb казано, что гидрирование оксида приводит к появлению в запрещенной зоне частично заполненных локализованных состояний и, как следствие, росту электронной проводимости диэлектрика.
-
Доказано, что при катодной поляризации оксидного диэлектрика в контакте с водородосодеркакими материалами протквозлектрода происходит инжекция в него протонов,и на этой основе дано объяснение унгаюлярности токопроховдения в юэидеисаторвых структурах. Предложен механизм эстафетного протонного транспорта в оксидных слоях и определены его кинетичесіага параметры. Обнаружено инжгк-ционно-стимулированное дефектообразовасне в оксидах, пркводяцзе к изменению их электронного спектра и ухудезнюа электроизоляционных свойств.
-
Выявлены структурно-чувствительные характеристики оксидных диэлектрических пленок,в том числе частотная зависимость проводимости и тангенса угла диэлектрических потерь в области инфразвуковых частот без приложения и с приложением постоянного смещающего напряжения, и временные гависююсти тока при постоянном напряжении.
Практическая значимость работы. Разработаны методики диагностического неразрушающего контроля качества оксидного диэлектрика и конденсаторных структур, основанные на определении установленных в работе структурно-чувствительных параметров и характеристик. Предложенные методики использованы для прогнозирования на стадии изготовления оксидных конденсаторов временной стабильности их эксплуатационных свойств и отбраковки потенциально ненадежных образцов.
Разработана методика определения допустимого для оксидных конденсаторов напряжения катодной поляризации как порогового напряжения, при котором начинается рост граничной частоты,соответствующей, переходу в частотной зависимости проводимости диэлектрика /Ґ (и) )~iJ к области постоянства S. С использованием данной методики определены допустимые условия нагружения оксидных конденсаторов типа К53-1А.16.
Развитые в работе методики оценки подвижности носителей заряда применимы к широкому классу неупорядоченных высокоомных материалов. Обнаруженный в работе эффект фотопамяти может быть использован для регистрации ультрафиолетового излучения.
Методики диагностики оксидного диэлектрика и определения допустимых условий нагружения конденсаторов, а также способ регистрации ультрафиолетового излучения защищены авторскими свидетельствами СССР. Основные защищаемые положения.
-
В анодных оксидах тантала и алюминия содержится водород в количестве единиц атомных процентов. Концентрация и распределение водорода в оксидах зависят от их структуры, определяемой условиями формирования. Водород равномерно распределен по толщине рент-геноаморфных пленок и концентрируется в местах структурных неод-нородностей оксида типа кристаллических включений и микропор.
-
Водород в анодных оксидах металлов влияет на их электронный энергетический спектр. С увеличением концентрации водорода в зап-рецэнной зоне оксида алюминия происходит рост плотности локализованных состояний, обусловленный вкладом парциальной плотности электронных состояний водорода. Рост концентрации водорода в оксиде тантала приводит к заполнению электронных состояний катионов основы и повышению уровня Зерми.
-
Электронный перенос в рентгеноаморфных оксидах в широком интервале внешних параметров описывается в рамках теории прыжковой
- * -
электропроводности в неупорядоченных системах с сильной локализацией носителей заряда. Происходящие в оксидах при увеличении коа-центрации водорода изменения в энергетическом спектре локализованных состояний приводят к значительному росту электронной проводимости диэлектрика.
-
Перенос инжектированных в оксид тантала протонов происходит по эстафетному механизму, осуществляемому посредством перескоков между гидроксильными группами и ионами кислорода с одновременным обменом валентностями катионов основы. Протекание в оксидном диэлектрике протонно- инжекционного тока приводит к дефектообразова-нию, в том числе, частичному восстановлению аморфного оксида хан-тала, образованию его кристаллической фазы нестехиометрического состава и гидратации оксида алюминия.
-
Повышение ионной и электронной составляющих проводимости оксидного диэлектрика и инжекционно-стимулированное дефектообразо-вание в нем в условиях катодной поляризации объясняет эффект уни-полярности токопрохождения в конденсаторных системах. Скрытые дефекты в оксидном диэлектрике, стимулирующе его разрушение под воздействием электрической нагрузки, могут быть выявлены на основе анализа временных зависимостей тока, протекающего в конденсаторной системе при приложении напряжения катодной поляризации, и частотной зависимости динамической прыжковой проводимости.
Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены на 7 Всесоюзном симпозиуме "Электронные процессы на поверхности полупроводников и границе раздела полупроводник-диэлектрик" (Новосибирск, 1980); 1-3 Всесоюзных конференциях"Фигкка окисних пле-нок"(Петрозаводск,1982,1987,1991); XXXVIII Всесоюзном совещании "Ядерная спектроскопия и структура атомного ядра"(Баку,1988).
По материалам работы опубликовано 7 статей в журналах; получено 4 авторских свидетельств.
Структура и объем работы, материал диссертации состоит из введения,шести глав,заключения и списка литературы. Она содержит 170 страниц текста,68 рисунков,13 таблиц, 170 библиографических ссылок. Краткое содержание работы.
