Введение к работе
Актуальность проблемы. Использование принципов физической интеграции, лежащих в основе функциональной электроники, открывает новые перспективы в создании элементов и устройств электронной техники. Среди материалов, обеспечивающих, развитие данного направления, видное место занимают сегнетоелектрики, уникальные свойства которых, обусловленные диэлектрическими, пироэлектрическими, оптическими и пьезоэлектрическими эффектами в одной континуальной среде, делант реальным создание на их основе приборов различного функционального назначения. Наличие двух и более устойчивых состояний поляризованности; сегнетоелектрика, которая мокет быть локально изменена под действием электрического поля, позволяет создавать не только репрограммируемые запоминающие устройства, сохраняющие информацию при отключенном питании, но и пироэлектрические и акустические преобразователи, оптические системы с адаптивными характеристиками.
Использование совокупности свойств сегнетоэлектрических материалов в составе многослойных структур, например, при непосредственном контакте с полупроводниками, существенно расширяет их функциональные возможности, так как параметры таких структур могут перестраиваться посла воздействия импульсов поляризующего электрического поля. Интенсивное развитие, особенно в последние годы, получила идея интеграции сегнетоэлектриков в микросхемы. Однвко, получение непосредственного контакта сегнетоелектрика с полупроводником в многослойшх структурах путем нанесения сегнетоэлектрической пленки на полупроводниковую подложку оказалось весьма проблематичным, так как для кислородосодержащих сегнетоэлектриков условия формирования таковы, что приводят к появлению на граница раздела плохо контролируемого слоя окисла. Попытки решить эту проблему путем выбора бескислородных сегнетоэлектриков пока не привели к желаемым результатам. Таким образом, вопрос создания тонкопленочных структур с сопштоэлектрическими и полупроводниковыми слоями остается открытым.
На момент начала работы с середины 70-ых годов, после первой волны публикаций, посвященных созданию тонкопленочных полевых транзисторов с памятью на сегнетоэлектрических подложках, оказалось, что наблюдавшиеся эффекты старения и нестабильность уста-
новленшх после переключения подложки уровней проводимости ставят под сомнение практическую значимость структур сегнетоэлектрик-го-лупроводник (СЭ-ПП) в целом. И в последующие годы исследования, нроведешшо как в нашей стране, так и в США, Японии, ФРГ и других странах, не позволяли ответить на вопрос о функциональных возможностях структуры сегнетоэлектрик-полупроводник, так как были не ясны физические процессы, ответственные за низкую эффективность управления, нестабильность, невоспроизводимость параметров, отсутствовали критерии выбора материалов, и технологические принципы изготовления структур. Недостаточное понимание процессов на границе раздела сегнетоэлектрик-полупроводник, релаксационные явления в пленке полупроводника посла переключения сегнетоэлектричес-кой подложки, отсутствие информации о поведении структур при различных .внешних воздействиях не позволяют адекватно оценить возможности их практического использования. Таким образом, проблему создания структур, анализ их свойств и возможностей применения следует признать актуальными.
Настоящая диссертационная работа является составной частью научно-исследовательских работ, выполнявшихся на кафедре микроэлектроники и в Проблемной лаборатории электрофизических процессов в диелектриках и полупроводниках ШбГЭТУ им. В.И.Ульянова (Ленина) в соответствии с Координационным планом АН СССР по проблеме 1.3 - "Физика твердого тола" (разделы: 1.3.1.6 -Структура и свойства поверхности и границ раздела твердых тел. Явления на поверхности. Тонкие пленки. 1.3.9.2 - Физические свойства сегнетоэлектричэских кристаллов, роль доменной в реальной структуры. 1.3.9.6 - Поверхностные слои и явления. Сегнетоэлектричэскиэ тонкие пленки, жидкие кристаллы, слоистые структуры. 1.3.9.6 - Физические принципы создания элементов из сегнетоэлектриков. Исследование технических характеристик материалов. ), а также в рамках хоздоговорных и госбюджетных НИР СПбГЭТУ.
Целью работы является развитие представлений о физических процессах, протекающих в структурах сегнетоэлектрик-полупроводник резисторного и конденсаторного типов при внешних воздействиях разной прлроды, базирующееся на результатах комплексных исследований структур, обоснование выбора материалов и разработка технологии создания структур, анализ их функциональных возможностей,
а также реализация на их основе элементов и устройств различного назначения.
Для достижения этой цели требовалось решить следующие задачи:
-
Разработать комплекс методик для изучения физических свойств используемых в структурах объемных и пленочных сегнето-. электриков и полупроводниковых пленок, а также структур в целом.
-
Провести анализ .физических процессов в структурах сегнетоелектрик - полупроводник при переключении сегнетоэлектрической подложки импульсами поляризующего напряжения, а также при воздействии освещения и изменении температуры.
-
Определить критерии выбора материалов для структур сегнетоелектрик - полупроводник с заданным функциональным назначением.
-
Разработать технологию изготовления структур СЭ-Ш при использовании разных сегнетоэлектрических и полупроводниковых материалов .с учетом их технологической совместимости.
-
Исследовать свойства структур СЭ-ПП при различных внешних воздействиях, определить их функциональные возможности.
-
Рассмотреть варианты практического применения структур сегнетоэлектрик - полупроводник и разработать новые элементы' и устройства на их основе.
Научная новизна работы заключается в том, что по результатам комплексных исследований структур СЭ-ПП и входящих в их состав сегнетоэлектрических материалов и полупроводниковых пленок впервые.обоснована возможность создания структур СЭ-ПП резистор-ного а конденсаторного типов со стабильными параметрами, установленными при переключении подложки электрическим полем, разработаны технологические принципы их создания, изготовлены структуры, на основе которых реализованы элементы и устройства различного функционального назначения. К наиболее существенным результатам, представленным в диссертации, относятся следующие.
Разработана модель структуры сегнетоэлектрик - полупроводник, в которой впервые учитывается существование потенциального рельефа на поверхности сегнетоэлектрической подлокки, обусловленного ее полидоменным строением. Это приводит к существенной неоднородности пленки полупроводника как вдоль границы раздела, так и по ее толщине. Модель позволяет объяснить основные экспериментальные результаты, полученные при воздействии электрического поля, освещения и температуры на структуры разных типоп.
Установлена связь между кратностью изменения проводимости полупроводникового резистора и емкости, структуры СЭ-ПП при поляризации сегнетоелектрика электрическим полем и характеристиками полупроводниковой пленки и сегнетоэлектрической подложки.. Показано, что наибольшие значения кратности достигаются при использовании одноосного сегнетоелектрика, а для сегнетокерамики определяющее влияние на кратность оказывает переориентация 180 доменов.
Впервые исследованы фотоэлектрические свойства структур СЭ-ПП как резисторного, так и конденсаторного типов. Показано, что направление и степень поляризации подложки влияют на фоточувствительность пленки полупроводника. Б состоянии обеднения носителями заряда пленки полупроводника в таких структурах реализуются эффекты остаточной фотопроводимости (ОФП) в резисторе или остаточной фотоемкости (ОФЕ) в конденсаторной структуре.
Разработана модель термочувствительного резистора на основе структуры СЭ-ПП. Для случая полной компенсации поляризационного заряда сегнетоелектрика зарядом в поверхностном слое получены аналитические выражения, отражающие изменение тока в пленке полупроводника при изменениии температуры. Показана возможность управления температурным коэффициентом сопротивления () полупроводниковых резисторов на сегнетоэлектрических подложках как за счет изменения доменного строения подложки в результате поляризации,, так и путем изменения сопротивления дополнительного резистора, включенного между электродом пленочного резистора и управляющим электродом.
Установлено, что для резисторов, изготовленных на основе узкозонных поликристаллических полупроводников, определяющее влияние на их свойства оказывают меккристаллитные барьеры, высота которых изменяется при воздействии поверхностного заряда остаточной поляризованности, освещения или температуры. Учет межкрис-таллитных барьеров позволяет объяснить такие свойства резисторных структур СЭ-Ш, как высокие.значения кратности изменения проводимости и температурных коэффициентов сопротивления пленок узкозонных полупроводников при низких температурах.
Обоснован и осуществлен выбор материалов для структур СЭ-ПП различного функционального назначения. Разработаны и научнообос-нованы технологические принципы формирования структур СЭ-ПП, учитывающие вопросы технологической совместимости материалов. Для
формирования многослойных структур отработана технология получения пленок различных полупроводников с воспроизводимыми наперед заданными характеристиками при использовании разных методов вакуумного осаздения.
Разработана технология получения субмикронных пленок ЦТС на диэлектрических подлогасах с платиновым электродом методом ВЧ-распылэния. Исследованы условия формирования перовскитовой фазы и свойства пленок ЦТС в зависимости от материала подложки, толщины и морфологии поверхности платинового электрода, толщины пленок ЦТС. Впервые изготовлены" и исследованы тонкопленочше конденсаторные структуры СЭ-ПП на диэлектрических поддонках.
Разработаны и изготовлены структуры СЭ-ПП различного функционального назначения, которые были использованы в качестве элементов памяти, управляемых резисторов с памятью, дозиметров излучения, счетчиков импульсов света, фотоприемников, термочувствительных элементов с перестраиваемыми характеристиками.
Практическая ценность работы заключается в развитии и углублении представлений о физических явлениях на границе раздела сегнетоэлектрик-полупроводник, позволивших сформировать структуры СЭ-ПП различного функционального назначения. Предложенные в работе модели позволяют прогнозировать характеристики структур СЭ-ПП при различных внешних воздействиях, осуществлять оптимальный выбор материалов и технологии нанесения отдельных слоев.
Разработана технология получения различных типов структур сегнетоэлектрик-полупроводник, включающая нанесение как полупроводниковых, так и сегнетоэлектрических пленок вакуумными методами. Проведенные комплексные исследования многослойных структур показали их эффективность при создании управляемых резисторов и конденсаторов с памятью, фогоприемников с памятью, дозиметров излучения, термочувствительных элементов с перестраиваемыми характеристиками. Оригинальность предложенных технических решений подтвервдена семью авторскими свидетельствами на изобретения.
Опытные партии структур сегнетоэлектрик-полупроводник прошли апробацию в ряде организаций, например, в составе измерительных систем контроля и обработки оптической информация, разработанных ПО "Завод Арсенал", НПК "Прогресс", АО "ЦКБ Рита". НШІ "Деймос", п/я Г-4141, НИИ ГИРИКОВД и др., и показали свою аффективность, что подтверждено рядом актов об использовании результатов диссер-
- &-.
тациошюй работы. Кроме того, материалы работы использованы в ряде дисциплин ("Материалы и компоненты функциональной электроники", "Функциональная электроника" и др.), включенных в учебные планы СПбГЪТУ при подготовке студентов по специальностям 200.100 и 200.200 и отражены в соответствующих методических разработках. Научные положения, выносимые на защиту.
-
Поверхностный потенциальный рельеф, являющийся следствием шлидоменного строения сегнетоэлектриков, приводит к неоднородной модуляции концентрации носителей заряда в полупроводнике, которая может носить либо регулярный, либо хаотический характер в зависимости от используемых сегнетоэлектриков. В монокристаллических одноосных сегнетоелектриках рельеф образуется разноголярным поверхностным поляризационным зарядом, создаваемым доменами с противоположным направлением поляризации, а в поликристаллических материалах с хаотической ориентацией полярных осей кристаллитов изменение поверхностного потенциала носит случайный характер.
-
Кратность изменения проводимости резистора или емкости структуры зависит от плотности состояний на границе раздела сег-нетоэлектрик-полупроводник и напряженности поляризующего поля и определяется как зарядом остаточной поляризованности сегнетоелектрика, так и зарядом, инжектированным на поверхностные состояния и экранирующим поляризационный заряд.
-
Структуры сегнетоелектрик - полупроводник, в которых пленка полупроводника находится в состоянии обеднения носителями 'заряда, обладают эффектами остаточной фотопроводимости или остаточной фотоемкости, обусловленными разделением неравновесных носителей заряда на рекомбииационных барьерах и их накоплением вблизи границы с сегнетоелектриком. Наблюдаемые эффекты могут быть погашены в результате переключения сегнетоелектрика электрическим полем, приводящего к исчезновению рекомбдаационных барьеров.
-
Температурный коэффициент сопротивления тонкопленочного полупроводникового резистора, сформированного на сегнетоэлектри-ческой подложке, ' может изменяться по величине и знаку в зависимости от степени и направления поляризации подложки и достигать аномально высоких значений при поляризованности сегнетоэл.-ктрика, соответствующей насыщению.
5. В тонкопленочных резисторах на основе структур сегнето-
алектрик - узкозонный полупроводник, обладающих стабильными вре-
мешшми характеристиками в условиях охлаждения, кратность изменения проводимости при электрическом управлении, остаточная фотопроводимость, аномально высокие температурные коэффициенты сопротивления определяются меккристаллитными потенциальными барьерами в пленке полупроводника, высота которых зависит от поверхностного заряда остаточной поляризованное сегнетоелектрика и изменяется при воздействии электрического поля, света и температуры.
-
Изменение остаточной поляризованносги сегнетоэлектрической подложки смещает температуры начала и конца фазового перехода металл - полупроводник-в пленке диоксида ванадия, нанесенной на ее поверхность, меняет ширину петли температурного гистерезиса, а также значение порогового напряжения на вольт-амперной характеристике тонкопленочного резистора на основе диоксида ванадия.
-
Основными критериями качества структур сегнетоэлектрик-по-лупроводник являются низкая плотность поверхностных состояний и отсутствие каких-либо инородных слоев на управляющей границе раздела. Требования технологической совместимости материалов при создании многослойных структур СЭ-ПП делают предпочтительным осаждение полупроводниковых пленок на сегнетоэлектрические подложки, или слои.
" 8. МикрорельеЛ поверхности шскнего платинового электрода затрудняет процесс формирования перовскитовой фазы в сегнетоэлект-рических пленках цирконата титаната свинца (ЦТС). Введение углерода в пленку платины при ее осаждении на " подложку методом реактивного ионно-плазменного распыления приводит к получению мелкодисперсной гладкой пленки платины, морфология поверхности которой не меняется при последующей высокотемпературной обработке. Это позволяет формировать на таком платиновом электроде однофазные пленки ЦТС субмикронной толщины.
Апробация работы. Основные результаты и научные положения, представленные в диссертации, докладывались и обсуадались на следующих конференциях, совещаниях, школах и семинарах: VIII Всесоюзной конференции по проблемам исследования свойств сегнетоэлектриков (г.Ужгород, 1974 г.), IY Международной конференции по сегнетоэлектричеству (г.Ленинград, 1977 г.), DC Всесоюзном совещании по сегнетоэлектричеству (г.Ростов-на-Дону, 1979 г.), I Всесоюзном семинаре по визуализации и теории доменов в сегнетоэлектрических и родственных кристаллах (г.Волгоград,
.-8
1980 г.), IV Конференции социалистических стран по жидким крис-
сталлам (г.Тбилиси, 1981 г.). III - VII Всесоюзных семинарах, по
тепловым приемникам излучения (г.Москва, 1982 г.,1984 г., 1986
г., 1988 г., 1990 г.), I и II Всесоюзных конференциях по физике
окисных пленок (г.Петрозаводск, 1982 г., 1987 г.), X Всесоюзной
конференции по сегнетоэлектричеству и применению сегнетоэлекгри-
ков в народном хозяйстве (г.Минск, 1982 г.), I Скандинавской кон
ференции по физике в индустрии (Г.Тампере, Финляндия, 1984 г.),
XI Скандинавской конференций по полупроводникам (г.Эспо, Финлян
дия, 1984 г.), VII, VIII. XI, XV семинарах северо-западного реги
она "Физические и химические явления йа поверхности полупроводни
ков и границах раздела" (г.Лвнинград, 1985 г.; г.Петрозаводск,
1986 г.; г.Новгород, 1990 г.), Всесоюзном научно-техническом се
минаре "Сенсор-87" (г.Черновцы, 1987 г.), I Европейской конферен
ции по применению полярных диэлектриков (Г.Цюрих, Швейцария,
1988 г.), Международном симпозиуме "ЫазМес-90" (Г.Дрезден, ГДР,
1990 г.), VII Мовдународном симпозиуме по применению 'сегнето-
элактриков (г.Урбана, США, 1990 г.), XIII Конференции по физике
сегнетоэлектриков (г.Тверь, 1992 г.), II Семинаре СНГ-США по
сегнетоэлектричеству (г.Санкт-Петербург, 1992 г.), I Российской
конференции по физике полупроводников (г.Нижний Новгород,
1993 г.), V Российско-японском симпозиуме по сегнетоэлектричеству
(г.Москва, 1994 г.), Украинско-американской школе по химии и
физике поверхности (г.Киев, 1994 г.), I Европейской конференции
по интегрированным' сегнетоэлекгрикам (г.Неймеген, Нидерланды,
1995 г.), XIV Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектри
ков (г.Иваново, 1995 г.), а также на научно-технических конферен
циях профессорско-преподавательского состава СПоТЭТУ (г.Ленин
град, Санкт-Петербург, 1976-1997 гг.).
Публикации. По материалам, изложенным в диссертации, опубликовано 90 работ, включая 4 обзора, оригинальные статьи в отечественных и зарубе&шіх зкурналах и сборниках, а также доклады на конференциях; получено 7 авторских свидетельств на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы, включаицэго 321 наименований*, и изложена на 244 страницах машинописного текста, содержит 106 рисунков и 7 таблиц.
