Екстремальні струми в напівпровідникових структурах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Київський національний університет

імені Тараса Шевченка

Іщук Лариса Вадимівна

УДК 621.315.592:537.311.33

Екстремальні струми в напівпровідникових структурах

Спеціальність

01.04.10 - фізика напівпровідників та діелектриків

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ - 2000



Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Київському національному університеті імені Тараса Шевченка

Науковий керівник : доктор фіз.-мат. наук, професор Добровольський Валентин Миколайович,

Київський національний університет імені Тараса Шевченка, проф. кафедри напівпровідникової електроніки.

Офіційні опоненти : доктор фіз.-мат. наук Назаров Олексій Миколайович,

Інститут фізики напівпровідників НАН України, Київ, провідний науковий співробітник; канд. фіз.-мат. наук, старший науковий співробітник Зинець Олег Сергійович,

Науковий центр “Інститут ядерних досліджень” НАН України, Київ, старший науковий співробітник.

Провідна установа : Інститут фізики НАН України, Київ.

Захист відбудеться “23“ жовтня 2000 р. о 15⁰⁰ год. в ауд. 46 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.001.31 в Київському національному університеті імені Тараса Шевченка за адресою : 03127, Київ-127, пр. Глушкова, 2, корп. 5, радіофізичний факультет.

З дисертацією можна ознайомитись у Науковій бібліотеці імені М.Максимовича Київського національного університету імені Тараса Шевченка (м. Київ, вул. Володимирська, 58).

Автореферат розісланий “20“ вересня 2000 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Шкавро А.Г.



Загальна характеристика роботи

АКТУАЛЬНІСТЬ РОБОТИ. Протіканню струмів великої густини через неоднорідні структури напівпровідникових приладів присвячена велика кількість досліджень. Цікавість до них є зрозумілою, оскільки гранична потужність роботи приладу визначається процесами протікання в ньому струму великої густини та розігріву ним приладу. З іншого боку, великий інтерес становить дослідження протікання струмів великої густини і в однорідних напівпровідникових структурах. Цей інтерес пов`язаний з тим, що в первісно однорідній біполярній плазмі напівпровідника існують ефекти, при яких малі зміни його властивостей яким-небудь фактором викликають великі зміни концентрації носіїв заряду при протіканні в ньому струму великої густини.

Запропонована дисертація відноситься до робіт другого типу. В ній досліджується протікання через однорідні напівпровідники струмів екстремальна великої густини (аж до такої, що руйнує структуру через її розігрів). В якості об`єктів дослідження були вибрані плівки, оскільки в них велику густину струму можна реалізувати при малому значенні повного струму. Зрозуміло, що ця обставина суттєво спрощує проведення експериментальних досліджень. Дослідження проводились на плівках кремнію структур “кремній на ізоляторі“ (КНІ) та плівках легованого оловом оксиду індію на ізолюючих підкладинках різного типу. Вибір саме таких об`єктів досліджень зумовлений двома причинами. Перша - це простота їх отримання. Другою причиною було те, що результати проведених досліджень, крім наукової, можуть мати і практичну цінність.

Відмітимо, що в деякому розумінні ці плівки є антиподами. Ширина забороненої зони кремнію становить 1,12 еВ, а легованого оловом оксиду індію - 3,7 еВ. Тому в перших плівках власна провідність виникає до їх руйнування, а в других провідність завжди моно полярна.

Крім того, конструкція структур КНІ є такою, що досліджувана плівка кремнію відділена лише тонким шаром SiO₂ від масивної кремнієвої підкладинки з великими теплоємністю і теплопровідністю. Охолодження через такий шар відбувається краще, ніж через вільну поверхню. З цієї причини підкладинка є ефективним тепловідводом для кремнієвої плівки. З іншого боку плівки легованого оловом оксиду індію наносять на різні підкладинки: скляні, ситалові, різні полімерні підкладинки. У всіх таких структурах тепло відводиться значно слабше, ніж у структурах КНІ.

В роботі наведено результати досліджень ефектів, пов`язаних з протіканням струмів великої густини в кремнієвих плівках структур КНІ та в плівках легованого оловом оксиду індію. Крім того, в плівках легованого оловом оксиду індію досліджені механізм розсіювання носіїв заряду та зміна структури плівки, які становлять самостійний інтерес.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи було дослідження протікання струму великої густини через кремнієві плівки структур КНІ та плівки легованого оловом оксиду індію на різних підкладинках. У відповідності до поставленої мети ставились наступні задачі :

Дослідити механізм виникнення осциляцій струму в кремнієвих плівках структур КНІ при протіканні в них струмів екстремальна великої густини (аж до таких її значень, при яких структура руйнується через її розігрів).

Визначити температуру розігріву кремнієвої плівки під час осциляцій струму.

Порівняти особливості протікання сталого струму та імпульсів струму в плівках легованого оловом оксиду індію на підкладинках різних типів.

Дослідити механізм розсіювання носіїв заряду в плівках легованого оловом оксиду індію.

Наукова новизна одержаних результатів. В роботі вперше одержані наступні наукові результати : через кремнієві плівки структур КНІ протікали струми екстремальна великої густини. При цьому в плівках розсіювалась питома потужність, більша за 3 ГВт/см³. В таких умовах спостерігались осциляції струму з великою амплітудою. Під час осциляцій струм змінювався від 300 мкА до 5 мА. Частота осциляцій перевищувала 3 МГц.

2. За допомогою запропонованого метода визначення температури показано, що осциляції струму у плівці взаємопов`язані з осциляціями температури кристалічної грати і концентрації електронно-діркових пар в плівці. Температура грати під час осциляцій змінювалась від 700 К до 1300 К, а концентрація пар - від 10¹⁵ см^-3 до 10¹⁸ см^-3.

3. Запропоновано механізм виникнення осциляцій. Згідно з ним зростання струму при осциляціях пов`язане з термічною генерацією електронно-діркових пар, а його зменшення - з дрейфом. Висока частота осциляцій зумовлена малими часами дифузії тепла крізь кремнієву (0,01 мкс) та оксидну (1 мкс) плівки і малим часом життя носіїв заряду (менше 1 мкс).

4. Вперше в кремнії спостерігався зворотний амбіполярний дрейф носіїв заряду. При ньому електронно-діркові пари в матеріалі типу провідності рухались в напрямку, протилежному напрямку електричного поля. Раніше зворотний амбіполярний дрейф спостерігався лише в германії і антимоніді індію.

5. Показано, що протікання постійного струму великої густини викликає зменшення з часом опору плівок легованого оловом оксиду індію. Ефект, що спостерігався, пояснений рекристалізацією плівок при протіканні в них струму. У плівках, нанесених на полімерні підкладинки, при цьому утворюються нитки, що складаються переважно з індію. Їх утворення подібне до утворення дендритів.

При протіканні у таких плівках, нанесених на полімерні підкладинки, імпульсів струму відбувалось їх механічне руйнування. Воно пов`язане з невідповідністю коефіцієнтів теплового розширення плівки і підкладинки.

6. Показано, що розсіювання носіїв заряду у плівках легованого оловом індію та оксиду індію відбувається переважно на заряджених центрах. Такими центрами при малому вмісті кисню у плівці є іони олова та кисню, а в плівці з великим вмістом кисню - лише іони олова. Але і в другому випадку кисень теж впливає на рухливість електронів. Механізм зміни ним рухливості такий : збільшення кисню у складі плівки призводить до зменшення концентрації вільних електронів. За рахунок цього зменшується їх енергія Фермі, від якої залежить рухливість електронів.

7. Показано, що зміна структури плівок легованого оловом оксиду індію із збільшенням вмісту в них кисню відбувається стрибкоподібно. Встановлено, що при малому вмісті кисню в плівці існує лише близький порядок, і в межах близького порядку плівка має характерну для індію тетрагональну структуру. При великому вмісті кисню плівка є кристалічною з об`ємноцентрованою кубічною структурою, що відповідає оксиду індію In₂O₃.

Практична цінність роботи.

1. Запропоновано плівковий запобіжник для гібридних мікросхем з використанням плівок легованого оловом оксиду індію на полімерній підкладинці. Час спрацьовування запобіжника ~10 мкс, що на три порядки менше, ніж у аналогічних вже існуючих приладів. Струм спрацьовування запобіжника можна варіювати від 10^-1 мА до10² мА зміною вмісту кисню у плівках. Запропонований плівковий запобіжник захищений авторським свідоцтвом.

2. На основі виявленого ефекту осциляцій струму в КНІ структурі можна створити простий за конструкцією генератор коливань струму.

Положення, що виносяться на захист.

1. При протіканні через структури КНІ струму екстремальна великої густини (близької до такої, при якій структура руйнується через її розігрів) виникають коливання струму великої амплітуди і частоти. При цьому збільшення струму відбувається внаслідок генерації електронно-діркових пар у плівці при її розігріві. До зменшення струму при осциляціях призводить - дрейф, який виникає при неоднорідному розігріві плівки. Велика частота осциляцій зумовлена як великою швидкістю розігріву і охолодження кремнієвої плівки, так і малим часом життя електронно-діркових пар.

При польовому розігріві електронів і дірок в кремнії виникає зворотний амбіполярний дрейф.

3. Протікання сталого струму великої густини в плівках легованого оловом оксиду індію викликає їх рекристалізацію. Імпульси такого ж струму викликають руйнування плівок на полімерних підкладинках через невідповідність коефіцієнтів теплового розширення плівки і підкладинки.

4. Основним механізмом розсіювання носіїв заряду в плівках легованого оловом індію є розсіювання на заряджених центрах. Такими центрами при малому вмісті кисню у плівці є іони олова та кисню. В плівці з великим вмістом кисню центрами розсіювання є лише іони олова, але кисень також впливає на рухливість електронів, змінюючи їх концентрацію і енергію Фермі.

5. При збільшенні вмісту кисню у плівках легованого оловом індію відбувається стрибкоподібна зміна структури плівки.

Ступінь достовірності. Достовірність одержаних результатів забезпечується :

Використанням надійних експериментальних методик.

Узгодженням експериментальних результатів з теоретичними уявленнями.

Узгодженням отриманих в дисертації нових результатів з відомими в літературі.

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 13 друкованих працях, серед яких 6 статей в реферованих наукових журналах, 1 авторське свідоцтво, 6 публікацій у збірниках тез доповідей та в працях вітчизняних та міжнародних конференцій. Список цих робіт наведений в кінці автореферату.

Структура і об`єм дисертації. Дисертація складається із вступу, п`яти розділів, висновків і списку використаних джерел з 95 найменувань. Вона викладена на 132 сторінках, які включають друкований текст, 27 рисунків, 1 таблицю.

Особистий внесок здобувача. В поданій дисертації безпосередньо автором проводилися створення експериментальних установок, вимірювання електрофізичних, оптичних і структурних характеристик досліджуваних структур та обробка отриманих результатів. Автор приймав паритетну участь в інтерпретації одержаних результатів і підготовці робіт до публікації.



Короткий зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, сформульовані мета і задачі дослідження, наукова новизна та практичне значення одержаних результатів, положення, що виносяться на захист. Подано короткий зміст роботи по розділах.

Необхідні літературні відомості наводяться при викладенні оригінального матеріалу.

У першому розділі розглянуто протікання імпульсів струму великої густини через структури КНІ. Дослідження проводились при розсіюваних питомих потужностях до 10 ГВт/см³ без пошкодження зразків. Таку можливість забезпечив ефективний тепловідвід, яким є кремнієва підкладинка, відділена від досліджуваної плівки кремнію тонким шаром ізолятору.

В таких умовах спостерігались осциляції струму великої амплітуди і частоти. Осцилограма струму , що протікав у плівці при подаванні на кремнієву плівку напруги В, наведена на рис.1. Для різних зразків осциляції тривали від кількох секунд до 1…2 хвилин. Частота осциляцій була найбільшою (до 3 МГц) на початку імпульсу і з часом зменшувалась. Струм при коливаннях змінювався від 300 мкА до 3…5 мА.

Запропоновано механізм виникнення осциляцій. Зростання струму при осциляціях пов`язали з джоулевим розігрівом плівки струмом, що протікає в ній, до температури власної провідності. При цьому відбувається інтенсивна термічна генерація електронно-діркових пар. Температура плівки і струм, що протікає в ній, охоплені додатнім зворотним зв`язком. Збільшення струму призводить до збільшення потужності, що розсіюється у плівці, та її температури. В свою чергу, збільшення температури призводить до ще більш інтенсивної генерації електронно-діркових пар і, внаслідок цього, до подальшого збільшення струму і т.д. В таких умовах можна було очікувати руйнування плівки через термічний пробій. Але він не спостерігається. Струм досягає найбільшого значення, а потім зменшується до початкового значення.

Це зменшення струму, яке відбувається, незважаючи на інтенсивний джоулів розігрів плівки, пояснено зменшенням концентрації термічно генерованих електронно-діркових пар дрейфом. В кремнії дрейф зменшує концентрацію пар в області додатного (відносно напрямку протікання струму) градієнта температури. Отже, він призводить до обмеження струму та його зменшення. При зменшенні струму також має місце додатній зворотний зв`язок між струмом, що протікає в плівці, та її температурою.

Через малі розміри досліджуваної плівки було неможливо безпосередньо визначити температуру її розігріву. В роботі запропоновано метод визначення температури. Він базується на температурній залежності провідності напівпровідника, в якому існує біполярна електронно-діркова плазма. За цим запропонованим методом була визначена температура плівки при осциляціях. Показано, що осциляції струму взаємопов`язані з осциляціями температури кристалічної грати і концентрацією електронно-діркової плазми у кремнієвій плівці. При осциляціях температура грати змінювалась від 700 К до 1300 К, а концентрація електронно-діркових пар - від 10¹⁵ см^-3 до 10¹⁸ см^-3. На рис.1 наведені визначені значення температури і концентрації електронно-діркових пар при мінімальному і максимальному значеннях струму, який протікав у кремнієвій плівці при В.

В рамках запропонованої якісної моделі були оцінені деякі характерні величини, а саме : час життя електронно-діркових пар, час охолодження кремнієвої плівки, її тепловий опір, швидкість зміни концентрації електронно-діркових пар в плівці термічною генерацією та -дрейфом. Їх узгодження з експериментом підтверджує коректність запропонованої моделі. Показано, що висока частота осциляцій зумовлена малими часами дифузії тепла крізь кремнієву (0,01 мкс) та оксидну (1 мкс) плівки, а також малим часом життя носіїв заряду (0,1 мкс).

На процес виникнення коливань можна впливати потенціалом підкладинки. В залежності від його знаку коливання можуть виникати при більших або менших величинах розігріву плівки.

Описані вище осциляції струму зривалися через певний проміжок часу, але їх можна зробити неперервними, якщо включити досліджувану структуру в колекторне коло транзистора. Запропонована проста схема генератора коливань струму. Частоту коливань генератора можна змінювати від 100 до 500 кГц струмом емітера транзистора. Розглянуто шляхи збільшення частоти коливань струму. Показано, що зменшуючи час життя електронно-діркових пар, товщини плівок кремнію та оксиду кремнію, або використавши в якості ізолятора плівку з якомога більшою теплопровідністю (наприклад, алмазу), можна збільшити частоту коливань запропонованого генератора до частот НВЧ діапазону.

У другому розділі описано результати спостереження зворотного амбіполярного дрейфу електронно-діркових пар в кремнії. Цей ефект на кремнії спостерігався вперше. Раніше його спостерігали тільки на германії та антимоніді індію, причому через необхідність реалізовувати великі напруженості електричного поля експерименти були дуже складними.

В роботі були проведені розрахунки залежності амбіполярної дрейфової швидкості від напруженості електричного поля в кремнії. Було показано, що зворотний дрейф електронно-діркових пар повинен мати місце і в кремнії n-типу провідності. Також було показано, що величина напруженості електричного поля, при якій відбувається зміна напрямку дрейфу, залежить від рівня інжекції неосновних носіїв заряду в напівпровідник. Вона буде тим меншою, чим більший рівень інжекції.

Для спостереження зворотного дрейфу в кремнії використовувалась КНІ структура, зображена на рис.2. В плані досліджуваний зразок мав Н-подібну форму. Плечі 1 і 2 зразка були з`єднані перешийком. В кожному плечі зразка дифузією бора була створена - область, а дифузією фосфору - - область.

Пропускаючи через плечі 1 і 2 відповідно струми та , створювали резервуари електронно-діркових пар в кожному плечі. Створене у перешийку тягнуче електричне поле затягувало у нього електронно-діркові пари з плечей. В умовах звичайного амбіполярного дрейфу пари будуть затягуватись в перешийок з плеча 1, а при зворотному дрейфові - з плеча 2 (див. рис.2). Таким чином, по впливу струмів, що протікають через плечі 1 і 2, на провідність перешийка можна було зробити висновок про те, звичайний чи зворотний амбіполярний дрейф має місце у зразку.

В умовах експерименту на провідність перешийка впливав струм плеча 2, отже в кремнії спостерігався зворотний амбіполярний дрейф електронно-діркових пар.

З експериментальними результатами були порівняні результати розрахунків. Експеримент і теорія узгоджуються.

У третьому розділі розглянуто протікання струму великої густини у плівках легованого оловом оксиду індію. Вони були нанесені на підкладинки з низькою , порівняно з кремнієм, теплопровідністю.

Дослідження проводились як в режимі постійної напруги, так і в імпульсному режимі. Протікання постійного струму великої густини в таких плівках викликало необоротне зменшення їх опору в кілька разів. Це зменшення опору пояснене рекристалізацію плівок при розігріві їх струмом, що протікає. При цьому у плівках, нанесених на полімерні підкладинки, з`являлись нитковидні утворення. Рентгенівський мікроаналіз показав, що ці нитки складаються переважно з індію. Поява таких ниток подібна до утворення дендритів.

При протіканні в плівках легованого оловом оксиду індію імпульсів струму спостерігалось їх механічне руйнування. Ми пояснили його невідповідністю коефіцієнтів теплового розширення плівки і підкладинки.

На основі ефекту руйнування плівки на полімерній підкладинці було запропоновано плівковий запобіжник з високою швидкодією для гібридних інтегральних мікросхем. Він являє собою плівку легованого оловом оксиду індію на полімерній підкладинці. Час спрацьовування запропонованого запобіжника не перевищує 10 мкс. Порівняння із наведеними в літературі даними свідчить, що це значення на три порядки менше, ніж у аналогічних вже існуючих приладів. Показано, що зміною вмісту кисню у плівках можна варіювати струм спрацьовування запобіжника від 10^-1 мА до 10² мА.

Четвертий розділ присвячений дослідженню механізму розсіювання електронів в плівках легованого оловом оксиду індію. Показано, що електрони в них розсіюються переважно на заряджених центрах. Природа цих центрів залежить від вмісту кисню у плівках. При малому вмісті кисню у плівці центрами розсіювання є іони олова та кисню. В плівці з великим вмістом кисню такими центрами є лише іони олова. Але і в другому випадку кисень також впливає на рухливість електронів. Механізм зміни ним рухливості наступний : збільшення кисню у складі плівки призводить до зменшення кількості вакансій кисню, що постачають електрони провідності, а отже і концентрації вільних електронів. За рахунок цього зменшується енергія Фермі електронів, від якої залежить їх рухливість.

За експериментальними даними були визначена концентрація центрів розсіювання у плівках і теоретично розраховані значення рухливості електронів при їх розсіюванні на заряджених центрах. Узгодження експериментальних і теоретичних значень підтвердило запропоноване пояснення.

Також у цьому розділі був проаналізований вплив інших механізмів розсіювання заряду на рухливість електронів в плівках легованого оловом оксиду індію. Були теоретично розраховані значення часу релаксації носіїв заряду в таких плівках при розсіюванні електронів на межах зерен, фононах, заряджених і нейтральних домішковий центрах, а також при спільній дії всіх згаданих механізмів. Порівняння теоретичних значень часу релаксації з визначеними експериментально дозволило зробити висновок, що порівняно з розсіюванням на заряджених центрах іншими механізмами розсіювання в плівках легованого оловом оксиду індію можна нехтувати.

У п`ятому розділі показано, що у плівках легованого оловом оксиду індію із зміною вмісту в них кисню відбувається стрибкоподібна зміна їх структури. Дослідження проводилось за методом рентгеноструктурного аналізу. Знімались рентгенограми плівок легованого оловом індію з різним вмістом кисню. Аналіз рентгенограм показав, що при малому вмісті кисню у плівці існує лише близький порядок. В межах близького порядку плівка має тетрагональну грату, характерну для індію.

При великому вмісті кисню рентгенограми плівок мають вигляд, характерний для кристалічної речовини. Положення та відносні інтенсивності піків на них співпадають з положеннями та відносними інтенсивностями піків оксиду індію In₂O₃, що має об`ємноцентровану кубічну кристалічну гратку.



Висновки

Основні результати представленої дисертаційної роботи полягають у наступному :

При протіканні струмів великої густини в кремнієвих плівках структур КНІ виникають осциляції струму великої амплітуди і частоти, взаємопов`язані з осциляціями температури кристалічної грати і концентрацією електронно-діркової плазми. При осциляціях струм змінювався від 300 мкА до 5 мА, температура грати - від 700 К до 1300 К, концентрація пар - від 10¹⁵ см^-3 до 10¹⁸ см^-3. Частота осциляцій перевищувала 3 МГц.

Запропоновано механізм виникнення коливань. Показано, що зростання струму пов`язано з джоулевим розігрівом структури до температури власної провідності, а його зменшення - із зменшенням концентрації електронно-діркових пар дрейфом. Велика частота осциляцій зумовлена малими часами теплової дифузії крізь кремній і шар діелектрику, а також малим часом релаксації носіїв заряду.

Вперше в кремнії спостерігався зворотний амбіполярний дрейф електронно-діркових пар.

Протікання сталого струму великої густини в плівках легованого оловом оксиду індію викликає їх рекристалізацію внаслідок джоулевого розігріву. У плівках, нанесених на полімерні підкладинки, при цьому утворилися нитки, що складаються переважно з індію. Їх утворення подібне до утворення дендритів.

При протіканні у плівках легованого оловом оксиду індію, нанесених на полімерні підкладинки, імпульсів струму відбувалось їх механічне руйнування. Його пояснили невідповідністю коефіцієнтів теплового розширення плівки і підкладинки.

Ефект руйнування плівки легованого оловом оксиду індію на полімерній підкладинці дав можливість запропонувати плівковий запобіжник з високою швидкодією для гібридних інтегральних мікросхем. Він являє собою плівку легованого оловом оксиду індію на полімерній підкладинці. Час спрацьовування запобіжника не перевищує 10 мкс. це значення принаймні на три порядки менше, ніж у аналогічних вже існуючих приладів. Зміною вмісту кисню у плівках можна варіювати струм спрацьовування запобіжника від 10^-1 мА до 10² мА .

5. Розсіювання носіїв заряду у плівках легованого оловом індію та оксиду індію відбувається переважно на заряджених центрах. Такими центрами при малому вмісті кисню у плівці є іони олова та кисню, а в плівці з великим вмістом кисню - лише іони олова, але кисень також впливає на рухливість електронів, змінюючи їх концентрацію і енергію Фермі.

6. Зміна структури плівок легованого оловом оксиду індію із збільшенням вмісту в них кисню відбувається стрибкоподібно. Встановлено, що при малому вмісті кисню в плівці існує лише близький порядок, і в межах близького порядку плівка має характерну для індію тетрагональну структуру. При великому вмісті кисню плівка є кристалічною з об`ємноцентрованою кубічною структурою, що відповідає оксиду індію In₂O₃.



Публікації за темою дисертації

1. Добровольский В.Н., Павлюк С.П., Ищук Л.В. Домен сильного поля в инжектированной электронно-дырочной плазме германия // ФТП. - 1983. - т.17. - вып.11. - с.2079-2081.

2. Добровольский В.Н., Ищук Л.В., Павлюк С.П. О распределении температуры в неоднородно разогретом полупроводнике // УФЖ. - 1986. - Т.31. - №6. - С.930-932.

3. Демчишин А.В., Добровольский В.Н., Ищук Л.В., Нинидзе Г.К., Рекичинский В.Н., Стеценко В.В. Свойства прозрачных проводящих пленок легированного оловом оксида индия // Гелиотехника. - 1988. - №4. - С.52-55.

4. Добровольский В.Н., Ищук Л.В., Нинидзе Г.К. Рассеяние электронов в легированных оловом пленках индия и оксида индия // Изв. АН СССР, сер. ”Неорганические материалы”. - 1989. - Т.25. - № 8. - С.1321-1324.

5. Добровольский В.Н., Ищук Л.В., Нинидзе Г.К., Грабовский Ю.Е. Скачкообразное изменение структуры пленок легированного оловом индия при увеличении в них содержания кислорода // Изв. РАН, сер. ”Неорганические материалы”. - 1992. - Т.28. - № 5. - С.1114-1115.

6. Демчишин А.В., Добровольский В.Н., Ищук Л.В., Нинидзе Г.К., Рекичинский В.Н., Стеценко В.В. Электрофизические и оптические характеристики прозрачных проводящих пленок легированного оловом оксида индия // Труды 2 Всесоюзной конференции “Материаловедение халькогенидных и кислородосодержащих полупроводников”. - Т.1. - Черновцы. - 1986. - С.205.

7. Добровольский В.Н., Ищук Л.В., Нинидзе Г.К. Механизм рассеяния электронов в пленках легированного оловом оксида индия // Тезисы докладов 9-го Всесоюзного симпозиума “Электронные процессы на поверхности и в тонких слоях полупроводников”. - Ч.1. - Новосибирск. -1988. - С.145-146.

8. Добровольский В.Н., Ищук Л.В., Нинидзе Г.К. Необратимое изменение проводимости пленок легированного оловом оксида индия под действием импульсов тока // Тезисы докладов 4-й республиканской конференции “Физические проблемы МДП-интегральной электроники”. - Киев. - 1990. - С.77.

9. Добровольский В.Н., Ищук Л.В., Нинидзе Г.К., Стеценко В.В. структура пленок легированного оловом индия с различным содержанием кислорода // Тезисы докладов 1-й Всесоюзной научно-технической конференции “Актуальные проблемы технологии композиционных материалов”. - Ялта. - 1990. - С.195.



Іщук Л.В. Екстремальні струми в напівпровідникових структурах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10 - фізика напівпровідників та діелектриків. - Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, 2000.

Дисертація присвячена дослідженню ефектів, що виникають в напівпровідникових структурах при протіканні струмів екстремальна великої густини (аж до такої, що руйнує структуру через її розігрів).

При протіканні такого струму через кремнієві плівки структур “кремній на ізоляторі” (КНІ) спостерігались його осциляції з великою амплітудою і частотою. Під час осциляцій струм змінювався від 300 мкА до 5 мА, а частота досягала 3 МГц.

За допомогою запропонованого метода визначення температури показано, що осциляції струму взаємопов'язані з осциляціями температури кристалічної грати і концентрації електронно-діркових пар. Температура під час осциляцій змінювалась від 700 К до 1300 К, а концентрація - від 10¹⁵ см^-3 до 10¹⁸ см^-3. Згідно із запропонованим механізмом виникнення осциляцій зростання струму зумовлено термічною генерацією електронно-діркових пар, а його зменшення - -дрейфом.

Вперше спостерігали в кремнії зворотний амбіполярний дрейф електронно-діркових пар.

Показано, що протікання постійного струму великої густини у плівках легованого оловом оксиду індію викликає необоротне зменшення їх провідності. Цей ефект пояснений рекристалізацією плівок при протіканні в них струму. У плівках, нанесених на полімерні підкладинки, при цьому утворились нитки, що складаються переважно з індію. Їх утворення подібне до утворення дендритів. напівпроводник плівка струм

При протіканні імпульсів струму в таких плівках відбувалось їх механічне руйнування через невідповідність коефіцієнтів теплового розширення плівки і підкладинки.

Показано, що розсіювання носіїв заряду у плівках легованого оловом оксиду індію відбувається переважно на заряджених центрах і встановлена природа таких центрів. Збільшення вмісту кисню в таких плівках призводило до стрибкоподібної зміни їх структури.

Ключові слова : екстремальні струми, структура “кремній на ізоляторі”, легований оловом оксид індію, плівки, осциляції струму, джоулів розігрів, електронно-діркові пари, -дрейф.



Ищук Л.В. Экстремальные токи в полупроводниковых структурах. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков. - Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко, Киев, 2000.

Диссертация посвящена исследованию протекания в полупроводниковых структурах токов экстремально большой плотности (вплоть до разрушающих структуру вследствие ее разогрева). В качестве объектов исследования использовались кремниевые пленки структур “кремний на изоляторе” (КНИ) и пленки легированного оловом оксида индия на различных изолирующих подложках.

При протекании импульсов тока экстремально большой плотности через кремниевые пленки структур КНи наблюдались его осцилляции с большой амплитудой и частотой. Ток при осцилляциях изменялся от 300 мкА до 5 мА. Частота осцилляций превышала 3 МГц. При этом в пленках рассеивалась удельная мощность, превышающая 3 ГВт/см³.

В работе предложен механизм возникновения осцилляций. Увеличение тока при осцилляциях связано с термической генерацией электронно-дырочных пар, а его уменьшение - с уменьшением концентрации пар дрейфом. Высокая частота осцилляций обусловлена малыми временами диффузии тепла через кремниевую (0,01 мкс) и оксидную (1 мкс) пленки и малым временем жизни носителей заряда (0,1 мкс).

С помощью предложенного метода определения температуры показано, что осцилляции тока в пленке взаимосвязаны с осцилляциями температуры и концентрации электронно-дырочных пар. При осцилляциях температура изменялась от 700 К до 1300 К, а концентрация пар - от 10¹⁵ см^-3 до 10¹⁸ см^-3.

Использование структур КНИ позволило наблюдать впервые в кремнии обратный амбиполярный дрейф электронно-дырочных пар.

Показано, что протекание постоянного тока большой плотности вызывает уменьшение со временем сопротивления пленок легированного оловом оксида индия. Наблюдаемый эффект объяснен рекристаллизацией пленок при протекании в них тока. В пленках, нанесенных на полимерные подложки, при этом образовались нити, состоящие преимущественно из индия. Их появление подобно возникновению дендритов.

Протекание в таких пленках, нанесенных на полимерные подложки, импульсов тока вызывало их механическое разрушение. Оно объяснено различием коэффициентов теплового расширения пленки и подложки.

Показано, что рассеяние электронов в пленках легированного оловом индия и оксида индия происходит преимущественно на заряженных центрах. Такими центрами при малом содержании кислорода в пленке являются атомы олова и кислорода, а при большом - атомы олова, а кислород влияет на подвижность, изменяя концентрацию электронов и их энергию Ферми.

Обнаружено, что при увеличении содержания кислорода происходит скачкообразное изменение структуры пленок легированного оловом оксида индия. Установлено, что при малом содержании кислорода в пленках существует только ближний порядок, и в пределах ближнего порядка пленка имеет характерную для индия тетрагональную структуру. При большом содержании кислорода пленка является кристаллической с объемноцентрованной кубической структурой, соответствующей оксиду индия In₂O₃.

Ключевые слова : экстремальные токи, структура “кремний на изоляторе”, легированный оловом оксид индия, плёнки, осцилляции тока, джоулем разогрев, электронно-дырочные пары, -дрейф.



Ishchuk L.V. Extreme currents in semiconductor structures. - Manuscript.

Thesis for scientific degree of the candidate of physical and mathematical sciences on specialty 01.04.10 - physics of semiconductors and dielectrics. - National Taras Shevchenko University of Kyiv. - Kyiv, 2000.

The dissertation is devoted to investigation of extremely high density currents (up to those that destroy a structure due to the Joule heating) in semiconductor structures.

Such current flowing through the silicon films of the SOI structures causes current oscillations with high amplitude and high frequency. The current varied from 300 to 5 mA, while the oscillation frequency reached 3 mHz.

Using the suggested method of temperature determination, it was shown that current oscillations are interrelated with oscillations of the lattice temperature and concentration of thermally generated pairs. The temperature varied between 700 K and 1300 K, while the variation of the pair concentration was from 10¹⁵ cm^-3 to 10¹⁸ cm^-3. In accordance with the suggested model, these oscillations become possible owing to two competing processes: the temperature dependent thermal generation of electron-hole pairs, and the pair concentration reduction caused by the b-drift.

For the first time the reversed ambipolar drift of electron-hole pairs was observed in silicon.

It was shown that extremely high density current irreversibly changes the indium-tin oxide (ITO) film conductivity due to the film recrystallization. The threads of indium similar to dendrites were observed in such films deposited on polymer substrates.

The current pulses cause the ITO film destruction due to the thermal expansion coefficient disparity of the film and substrate.

It was shown that the main scattering mechanism in the ITO films is the scattering on the charged impurities. The film crystalline structure undergoes the discontinuous jump when the oxygen content in ITO film is increased.

Key words : extreme currents, SOI structure, ITO, films, current oscillations, Joule heating, electron-hole pairs, -drift.

Размещено на Allbest.ru

...