Введение к работе
Актуальность темы. Халькогенидные стеклообразные полупроводники (ХСП) были открыты в середине 50-х годов Н.А. Горюновой и Б.Т. Коломийцем. Исследования свойств этих соединений стимулировали интерес к аморфным материалам и их применению. Усилиями теоретиков и экспериментаторов были разработаны основы физики полупроводниковых материалов с неупорядоченной структурой, что позволило понять особенности электронных процессов в них и приступить к созданию принципиально новых материалов с аморфной или близкой к ним структурой, обладающих уникальными электронными свойствами.
Несмотря на значительные достижения, в направлении понимания свойств и применения некристаллических материалов вообще и стеклообразных в частности, сделан лишь первый шаг. Принципиальная особенность некристаллических полупроводников заключается в том, что в них возможна генерация метастабильных дефектов, взаимодействие которых может приводить к изменениям свойств материалов, в результате, возбуждение электронной системы может передаваться структурной матрице. Изучение механизмов, приводящих к возникновению долговременной электронной и структурной памяти, представляет принципиальный интерес, как с теоретической, так и прикладной точки зрения. Именно отсутствие метастабильности у классических стабильных полупроводников долгое время было одной из причин не востребованности ХСП, обусловленной непониманием происходящих в этих материалах процессов. Появление принципиально новых физических моделей этих материалов способствовало развитию экспериментальных исследований и применению аморфных материалов вообще и ХСП в частности. Существование метастабильных дефектов, их взаимодействие с ближайшим окружением, зависящее не только от состава материала и локальной температуры, но и от величины инжектированного заряда и напряженности электрического поля, приводит к передаче возбуждения от электронной подсистемы к структурной матрице, т.е. к процессам, слабо проявляющимся в кристаллах.
Метастабильность ХСП и ее применение в приборах из недостатка может стать достоинством. Разработчики вновь обратили внимание на функциональные двухэлектродные элементы памяти, и в ряде ведущих фирм начались разработки микросхем памяти на основе ХСП. Разработчиков привлекает, прежде всего, возможность создания на их основе элементов энергонезависимой памяти, высокая
радиационная стойкость которой открывает перспективу применения этих материалов в схемах специального назначения. Кроме того, широкозонные ХСП все шире используются в различных элементах оптоэлектроники и фотоники.
Основная цель работы заключается в исследовании влияния электрических полей на электронные процессы в тонких пленках g-As2Se3, в выяснении механизма их электрического пробоя и выяснении роли дефектов при его возникновении. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
Экспериментально исследовать нелинейные эффекты, возникающие в сильных электрических полях в g-As2Se3;
Экспериментально изучить динамику развития электрического пробоя исследуемого материала;
Экспериментально и теоретически изучить основные возможные механизмы пробоя исследуемого материала;
Создать модель пробоя тонких пленок g-As2Se3;
Провести анализ полученных результатов и оценить возможности их обобщения на другие материалы с аморфной структурой.
Объекты и методы исследований. В качестве объекта исследования, в данной работе выбран g-As2Se3. Выбор объясняется тем, что это материал обладает высоким сопротивлением, что значительно облегчает регистрацию всех изменений его электронных свойств. g-As2Se3 фактически стал классическим объектом для проверки моделей, описывающих различные физические свойства в халькогенидных стеклообразных соединениях. Он обладают сравнительно большой шириной запрещенной зоны, что позволяет применять его в оптических устройствах видимого диапазона. g-As2Se3 обладает низкой проводимостью, однако не настолько низкой, чтобы её нельзя было регистрировать. Это дает возможность измерять различные, наведенные внешними воздействиями эффекты, и, в частности, эффекты, связанные с метастабильностью дефектов. Именно метастабильность превращает As2Se3 в среду с памятью, исследование которой имеет не только научный, но и практический интерес.
Несмотря на то, что структурные и электрические свойства g-As2Se3 известны, исследование на них влияния сильных электрических полей находится в начальной стадии. Вместе с тем, в связи с постоянно идущим процессом уменьшения размеров активных областей электронных и оптических элементов, особое значение
приобретает информация об электронных процессах в высоких полях и природе электрического пробоя в ХСП.
Изучаемый материал, помимо познавательного, имеет и прикладное значение, так пленки g-As2Se3 находят применение в электрофотографии, волновой оптике, в качестве сред для оптической записи, в сенсорах. На их основе ведутся разработки оптических переключателей, приемников ИК излучения и пр
Таким образом, исследование неравновесных электронных процессов в ХСП имеет не только научное, но и прикладное значение. Научная новизна:
На основе комплексного экспериментального и теоретического исследования предложен механизм пробоя пленок g-As2Se3, базирующийся на допущениях о решающей роли собственных дефектов в формировании токового канала и порогового лавинного умножения и его развития.
Впервые отработана методика получения пленок g-As2Se3, позволяющая получить микроплазменный пробой при малых напряжениях смещения.
Впервые выполнено исследование пленок ХСП, содержащих внедренные наночастицы золота. Показана зависимость электрической прочности пленок от размера и концентрации частиц.
Практическая ценность. Полученные результаты позволяют правильно интерпретировать эксперименты по исследованию электрических свойств g-As2Se3 и его аналогов в высоких электрических полях, что способствует пониманию физических процессов в этих материалах и расширению их применения в электронике, электротехнике, оптоэлектронике.
Достигнутые результаты исследований могут быть использованы в организациях, ведущих в настоящее время разработку активных волноводов, сенсоров, устройств преобразования информации на основе g-As2Se3.
Результаты работы могут быть обобщены на другие многокомпонентные полупроводники и диэлектрики со структурой, близкой к структуре g-AS2Se3.
Апробация работы. Материалы диссертации изложены в 21 работе, которые приведены в списке опубликованных работ, а также докладывались на следующих конференциях и семинарах:
1. Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, 1-2 марта 2007 г., 28-29 февраля 2008 г
На научной сессии Центра хемотроники стекла им. В.В. Тарасова, посвященной 100-летию со дня рождения профессора Б.Т. Коломийца, Москва, 15 апреля 2008г.
Международная конференция «Аморфные и микрокристаллические полупроводники», - Санкт-Петербург, 7-9 июля 2008 г., 7-9 июля 2010 г.
Международная конференция ICANS 23 Science and technology the Netherland. August 23-28 2009.
II Всероссийская школа-семинар студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Наноматериалы», Рязань 21-26 сентября 2009г., 27 сентября - 2 октября 2010г.
Международный научно-методический семинар «Флуктуационные деградационные процессы в полупроводниковых приборах», Москва 23-25 ноября 2009 г., 29 ноября - 1 декабря 2010 г.
17-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика -2010», Зеленоград, 28-30 апреля 2010 г.
4-я школа «Метрология и стандартизация в нанотехнологиях и наноиндустрии. Функциональные наноматериалы», Новосибирск, 26-29 апреля 2011 г.
Личный вклад автора. Автору принадлежат основные идеи, положенные в основу модели пробоя g-As2Se3, при этом им выполнены все эксперименты по ее доказательству, непосредственно составлены программы и выполнены численные расчеты по моделированию электронных процессов в пленках g-As2Se3. Так же ему принадлежат идеи экспериментов, их реализация, включающая создание измерительных установок, получение и подготовку образцов к измерениям, сами измерения и их интерпретация.
Основные положения, выносимые на защиту:
Объяснение нелинейных зависимостей тока от приложенного электрического напряжения при разных температурах и толщинах, как в области низких так и высоких полей.
Модель электрического пробоя пленок g-As2Se3, базирующаяся на допущениях о решающей роли собственных дефектов в возникновении токового канала и подпорогового лавинного умножения в его развитии.
Результаты исследования впервые обнаруженного в пленках ХСП эффекта микроплазменного пробоя, возникающего при полях значительно меньших пробивного, и его объяснение.
Результаты впервые выполненных экспериментов по исследованию термостимулированных токов в свежеприготовленных пленках и их объяснение
Результаты впервые выполненных экспериментов по исследованию характеристик пробоя пленок g-As2Se3 с внедренными в них наночастицами золота, и их объяснение.
Объем и структура работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка публикаций автора, списка цитируемой литературы. Объем работы составляет 202 страница, включая 126 рисунков, 7 таблиц, 3 приложения. Список цитируемой литературы включает 151 наименование.
