Дослідження електронних властивостей шаруватих структур з алмазо-подібними вуглецевими та оксидними плівками на кремнії

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ

УДК539.216,537.533

ДОСЛІДЖЕННЯ ЕЛЕКТРОННИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ШАРУВАТИХ СТРУКТУР З АЛМАЗО-ПОДІБНИМИ ВУГЛЕЦЕВИМИ ТА ОКСИДНИМИ ПЛІВКАМИ НА КРЕМНІЇ

01.04.07 - фізика твердого тіла

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

ЛИТВИН ЮРІЙ МИХАЙЛОВИЧ

Київ 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті фізики напівпровідників Національної Академії наук України

Науковий керівник: кандидат фізико-математичних наук Євтух Анатолій Антонович Інститут фізики напівпровідників НАН України старший науковий співробітник

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Дмитрук Микола Леонтійович, Інститут фізики напівпровідників НАН України, завідуючий відділом поляритонної оптоелектроніки

доктор фізико-математичних наук, професор Ільченко Василь Васильович, Національний університет ім. Т.Г. Шевченка

Провідна установа: Інститут фізики НАН України, м. Київ

Захист відбудеться " 28 " вересня 2001 р. о _16-30___ год. на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.199.01 в Інституті фізики напівпровідників НАН України за адресою: 03028, Київ - 28, проспект Науки, 45

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституті фізики напівпровідників НАН України (03028, Київ - 28, проспект Науки, 45).

Автореферат розісланий “ 27 ” серпня 2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

кандидат фізико-математичних наук Охріменко О.Б.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Вивчення електронних властивостей шаруватих структур з алмазо-подібними вуглецевими та оксидними плівками останнім часом інтенсивно досліджується. Зокрема, до класу таких властивостей належить явище електронно-польової емісії (ЕПЕ) у вакуум. Це, в першу чергу, обумовлено бурхливим розвитком приладів вакуумної мікроелектроніки і плоско-панельних польових емісійних дисплеїв (ПЕД), в основі роботи яких покладене явище ЕПЕ. У якості емітерів виступають окремі мікро-вістря, або матриці вістрів. Для покращення емісійних параметрів польових емітерів вивчаються різні матеріали у якості їх покриття, проводиться їх додаткове легування та інші технологічні засоби. Стосовно матеріалу для виготовлення емісійної матриці існують три найбільш перспективних напрямки. Це металічні емітери, кремнієві вістрійні емітери та алмазні емітери. Кожна з цих технологій має свої переваги та недоліки. У пропонованій дисертаційній роботі досліджені емісійні властивості структур і матеріалів на основі кремнієвих вістрійних емітерів (КВЕ). Їх суттєвими перевагами є простота, добре розвинута й сумісна з виробництвом інтегральних мікросхем, технологія виготовлення.

Існує ряд проблем, які стоять на заваді більш широкого використання КВЕ. Ними є їх погана термічна провідність і висока робота виходу, що зумовлена високою пороговою напругою та нестабільністю. У низьковольтних ПЕД із КВЕ електрони імітуються у вакуум із мікро-вістрійної поверхні 20 000 мікро-вістрів на мм2 ) під дією прикладеної між катодом і затвором напругою, меншої ніж 100 В. Далі електрони прискорюються у напрямку до люмінесцентного аноду із напругою зміщення в діапазоні 300-1000 В. Мала відстань між катодом і анодом дає змогу реалізувати точне фокусування електронного променя.

У ПЕД кожний піксел має своє власне джерело електронів, як правило, матрицю імітуючих вістрів. Різниця напруги між катодом і затвором витягує електрони з катода. З квантової механіки відомо, що існує певна ймовірність, що електрон пройде через енергетичний бар`єр навіть тоді, якщо він не має достатньої енергії для проходження над бар`єром. Цей ефект квантово-механічного туннелювання призводить до того, що при нормальних умовах існує певна кількість електронів, які тунелюють крізь енергетичний бар`єр на границі емітер-вакуум. Однак ця кількість може бути збільшена при звуженні ширини енергетичного бар'єра. Ширина бар`єра може змінюватись при прикладанні великого електричного поля до емітера. Для таких матеріалів як W, Mo чи Si, робота виходу електронів становить близько 4.5 еВ, і електрони можуть тунелювати через бар`єр, лише при достатньо високих електричних полях (~107 В/см). Такі високі електричні поля складно отримувати і контролювати. Можливий шлях розв'язання, деяких із цих проблем є покриття кремнієвих вістрів тонкими плівками із заданими властивостями. Покриття поверхні катоду плівкою пасивує поверхню кремнію та значно підвищує стійкість до зовнішніх впливів. Це дуже важливо у випадку роботи в сильних електричних полях. Крім того, розмірні ефекти у шаруватих квантових структурах також обіцяють помітне збільшення ЕПЕ. За умови зменшення радіуса кремнієвих вістрів, виникає більш складна система, а саме квантовані тонкі плівки. У багатошарових плівкових покриттях реалізується резонансна тунельна емісія, завдяки якій є можливість отримання великих значень емісійних струмів при досить малих прикладених електричних полях. Як такі, були використані плівки з низькою роботою виходу, а саме: плівки з дельта-легованими шарами типу Si-SiO2-d(Si)-SiO2 та Si-SiO2-d (Cs), алмазо-подібні вуглецеві (АПВ) та нанокомпозитні плівки типу нк-SiOx(Si). Проведення детального аналізу властивостей ЕПЕ, електрофізичних властивостей та поверхневої морфології цих структур дасть можливість створити КВЕ з найоптимальнішими параметрами.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась у рамках наступних тем:

1. Тема 2.3/9. “ Розробка комплексу методів сертифікації кремнію та напівпровідникових структур на його основі в технологіях мікро-приладів та перетворювачів сонячної енергії”.(2001-2003рр).

2. Держбюджетна тема №5. “ Дослідження фізичних механізмів не рівноважних процесів на поверхні напівпровідників та в напівпровідникових шаруватих структурах; розробка нових технологій та приладів на їх основі”постанова Бюро Відділення фізики та астрономії НАН України, протокол №9 від 16.11.1999 р. ( І кв 2000 р.- IV кв. 2002р).

Мета роботи. Основним завданням роботи було: 1) з'ясувати механізми процесу ЕПЕ із шаруватих систем на основі кремнію; 2) виявити зв'язок між технологічними та електрофізичними параметрами шаруватих структур і їх емісійними характеристиками.

Ознакою вирішення першої задачі є аналіз залежностей струму ЕПЕ від прикладеної напруги в різних типах шаруватих структур, що дає змогу висвітлення основних механізмів процесу ЕПЕ, зокрема, механізмів: Фаулера-Нордгейма і резонансного туннелювання. У результаті вирішення другої задачі мала бути встановлена залежність параметрів ЕПЕ від технологічних умов отримання структур та оптимізація цих параметрів.

Для виконання поставлених завдань було заплановано дослідити особливості й механізми ЕПЕ з кремнієвих матриць покритих різними типами плівок.

Задачі, які необхідно вирішити для досягнення поставленої мети:

1. Дослідження ЕПЕ з кремнієвих структур типу Si-SiO2-d(Si)-SiO2 та Si-SiO2-d (Cs), покритих плівками з дельта-легованим шаром.

2. Дослідження ЕПЕ з АПВ плівок та їх електрофізичних властивостей.

3. Дослідження ЕПЕ з матриць типу SixOy(Si), отриманих шляхом лазерної рекристалізації кремнію.

Об'єктом дослідження є емісійні властивості кремнієвих вістрійних емітерних матриць покритих багатошаровими та алмазо-подібними плівками, а також структур, отриманих, шляхом лазерної рекристалізації кремнію.

Предметом дослідження є вістрійні емітерні матриці на основі кремнію n-типу, покриті різними плівками. Такий вибір обумовлено поліпшеними емісійними характеристиками даних структур, а саме: низькою пороговою напругою емісії, високим значення фактора підсилення поля, зниженням роботи виходу, проявом механізму резонансного туннелювання як фактора підвищення емісійного струму та генерації надвисокочастотних коливань. Для досягнення поставленою мети було застосовано такі методи дослідження: плівка емісія кремнієвий матриця

автоматизоване вимірювання залежностей інтегральної густини струму ЕПЕ від прикладеної напруги для окремих ділянок КВЕМ у діодній конфігурації. Вимірювання стабільності та відтворюваності емісійних характеристик за певний проміжок часу. Автоматизований розрахунок ефективної площі емісії, фактора підсилення поля, роботи виходу та порогової напруги емісії. Оптимізація результатів.

мікроскопія атомних сил, скануюча електронна мікроскопія та дослідження поверхневого профілю, які використовувались для вивчення морфології зовнішньої поверхні зразків та оцінки їх стійкості, щодо пошкоджень при різних значеннях емісійних струмів. Оже-спектроскопія та мас-спектроскопія для аналізу елементного складу покриттів для КВЕМ. Еліпсометрія для визначення товщини плівок та їх показника заломлення;

автоматизоване вимірювання вольт-амперних характеристик КВЕМ, покритих АПВ плівками для визначення їх питомого опору та висоти вихідного бар'єру на границі кремній і АПВ плівка.

Наукова новизна отриманих результатів. Проведено детальне дослідження ЕПЕ зі структур із дельта-легованими шарами (Si-SiO2-Si-SiO2 та Si-SiO2(Cs)). Виявлено явище резонансного туннелювання в даних структурах.

Проведено експериментальне та теоретичне дослідження параметрів емісійного струму в залежності від товщини бар'єрів і квантової ями. Проаналізовано особливості формування таких структур.

Визначено параметри ЕПЕ з кремнієвих вістрійних матриць, покритих АПВ плівками. Виявлено залежність фізичних властивостей плівок від вмісту азоту в суміші газів при PE CVD осадженні.

Спостережено немонотонну залежність ефективності ЕПЕ від вмісту азоту та експериментально визначено роботу виходу електронів у вакуум.

У випадку надтонких АПВ плівок теоретично передбачено та експериментально виявлено явище резонансної польової емісії при появі квантової ями на границі розподілу АПВ плівка-вакуум.

Вивчено особливості ЕПЕ з вістрійних матриць, сформованих шляхом лазерної рекристалізації кремнію та покритих у процесі формування нанокомпозитними плівками SixOy(Si). Виявлено явище резонансного туннелювання носіїв із таких структур, сформованих при певних технологічних умовах. Показана їх, велика емісійна ефективність.

Практична цінність Проведені в пропонованій роботі дослідження ЕПЕ із структур із дельта-легованими шарами показують перспективність використання таких систем в якості електронних польових емітерів. У даних структурах при певних напругах виникає явище резонансного туннелювання, що обумовлює значне підвищення емісійного струму.

Оптимізовано технологію формування кремнієвих матриць, покритих АПВ плівками з точки зору високої ефективності ЕПЕ. Вироблено рекомендації по формуванню таких структур. З урахуванням інших властивостей АПВ плівок, показано перспективність їх застосування в приладах вакуумної мікроелектроніки і плоско-панельних дисплеях.

Показано перспективність практичного використання кремнієвих вістрів, сформованих шляхом лазерної модифікації кремнію в якості електронно-польових емітерів. Головною перевагою при створенні таких структур є відсутність процесу фотолітографії, що значно спрощує та здешевлює технологію їх формування.

Виявлене явище резонансного туннелювання в ряді шаруватих структур на основі кремнію є перспективним для використання їх у якості генераторів надвисокочастотних коливань гіга та тера-герцових діапазонів.

Особистий внесок здобувача, Автором дисертації самостійно одержана основна частина експериментальних результатів, зокрема проведені виміри струмів ЕПЕ та електрофізичних характеристик для усіх типів досліджуваних структур. Разом зі співробітниками інституту проводив дослідження морфології та фазового складу шарів. Брав участь у комп'ютерній обробці та інтерпретації експериментальних даних та розробці їх фізичних моделей, підготував матеріали та виголосив доповіді на кількох наукових конференціях.

Апробація роботи. Матеріали роботи доповідались та обговорювались на таких конференціях: International Conference on Nanoelectronics and Nanotechnology. (Uzhgorod, Ukraine, 1998), International Vacuum Microelectronic Conference (Asheville, USA, 1998), 3th International Simposium “ Physics and engineering of millimeter and submillimeter waves” (Kharkov, Ukraine, 1998), International Vacuum Microelectronic Conference (Darmstadt, Germany, 1999), 4th International Workshop for Field Emission (Wroslaw, Poland, 1999), International conference Nanomeeting'99 (Minsk, Belarus, 1999), 9 Международная конференция “Физика диэлектриков 2000” (Санкт-Петербург 2000), Відкрита науково-технічна конференція молодих науковців та спеціалістів (Львів, Україна,2001), International conference Nanomeeting 2001 (Minsk, Belarus, 2001), European Materials Reaearch Society Spring Meeting 2001 (Strasbourg, France, 2001), International Field Emission Conference 2001 (Berlin, Germany, 2001).

Публікації Основні матеріали дисертації опубліковано в 12 роботах, в тому числі 5 статей в реферованих фахових журналах, 5- в матеріалах конференцій та 2-доповіді на міжнародних конференціях.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків і списку цитованої літератури та 1 додатка. Матеріал викладено на 136 сторінках, робота містить 55 рисунків, 2 таблиці і список літератури зі 104 посиланнями.

Основний зміст роботи

У вступі обговорюється актуальність теми, формулюється мета роботи, описується наукова новизна отриманих результатів та їх практична цінність, наводяться основні положення, які виносяться на захист, коротко викладено зміст роботи та зазначено конференції, де представлено основні результати роботи.

Перший розділ має оглядовий характер; у ньому на основі використаної літератури проведено порівняльний аналіз явища ЕПЕ з металевих та напівпровідникових (кремнієвих) емітерів. Викладено дані з розглянутих досліджень, відносно параметрів ЕПЕ з металів та кремнію, а також існуючі уявлення про механізми ЕПЕ в напівпровідниках і металах. Було зазначено, що використання напівпровідників, зокрема сильно легованого кремнію n- типу з концентрацією домішок від 1016 до 1019 атомів на см3 в якості емітерів для ЕПЕ, є більш привабливим у порівнянні з металевими емітерами. Це обумовлено високо розвиненою субмікронною технологією їх виготовлення, сумісною з виробництвом інтегральних схем. Однак є суттєві недоліки кремнієвих емітерів, зокрема, погана теплопровідність, погана стабільність, велика робота виходу (~ 4 еВ). Тому в цілях зниження роботи виходу доцільно використовувати різні типи покриттів для кремнієвих емітерів. Не зважаючи на накопичений теоретичний та експериментальний досвід, пошук матеріалів із поліпшеними параметрами для покриттів кремнієвих емітерів триває й до тепер.

У другому розділі описано методики формування кремнієвих вістрійних матриць (див. рис.1) методом фотолітографії та виготовлення на основі КВЕМ багатошарових структур типу Si-SiO2-d(Si)-SiO2 і Si-SiO2-d (Cs), покритих плівками з дельта-легованим шаром (зразки були виготовлені на НДП “Мікроприлад”, м. Київ) (КВЕМ).

(А) (Б)

Рис. 1 Аксометричне зображення поверхні кремнієвої вістрійної матриці (А) та верхівки окремого вістря (Б), отримані за допомогою МАС. Довжина основи вістря 10 мкм, відстань між вістрями 20.97 мкм., висота вістря 4 мкм

Представлені результати комплексного дослідження даних типів структур, зокрема деталі експериментів по вивченню морфології поверхні кремнієвих вістрійних матриць методом скануючої електронної мікроскопії (СЕМ), фазового складу, методом Оже-спектроскопії, товщини нанесених шарів, методом еліпсометрії. Викладені особливості методики по вимірюванню основних параметрів ЕПЕ, зокрема, порогової напруги (Vпор), ефективної площі емісії a, фактора підсилення поля b, ефективної роботи виходу (Ф еф), використовуючи експериментальні залежності густини струму ЕПЕ від прикладеної напруги. Виявлено значне зниження роботи виходу і відповідно підвищення ефективності електронної польової емісії в багатошарових структурах із шарами, збагаченими цезієм Si-SiO2(Cs). Це передусім зумовлено низькою роботою виходу Сs. Оптимізація режимів формування структур дало змогу отримати резонансні піки на ВАХ електронної емісії. Було виявлене явище резонансного туннелювання в багатошарових структурах із квантовими ямами (Si-SiO2-Si*-SiO2). Наявність піка на вольт-амперних характеристиках (Рис.2), і відповідно ділянок з від'ємною диференціальною провідністю, вказує на перспективність використання таких структур для генерації надвисокочастотних коливань. На основі експериментальних даних представлена фізична модель процесу ЕПЕ в багатошарових структурах. Зокрема, дано пояснення явища резонансного туннелювання (Рис.3), що виникає при визначених параметрах багатошарових структур.

Рис. 2 Експериментальні залежності густини струму ЕПЕ від електричного поля (А) і залежність у координатах Фаулера-Нордгейма (В), де d1(SiO2)=d3(SiO2)=2 нм, d-шар d2(d(Si))=2нм, концентрація вільних носіїв у шарах Ne =Nw = 5.6ґ1017см-3, T = 300K

Туннелювання крізь шаруваті структури з d- легованим шаром представлені у вигляді двох складових струму: туннелювання Фаулера-Нордгейма ( нерезонансна складова струму JТ та складова струму резонансного туннелювання JRТ згідно виразу:

(1)

де mli-поздовжня маса електрона в і-й долині зони провідності емітера;

WF та W-енергія Фермі емітера та енергія електрона, що тунелює

DiRT, DiT - коефіцієнт резонансного та нерезонансного проходження електронів.

У діапазоні полів від 5.5х107 до 7х107 В/см домінувала саме резонансна складова струму електронної польової емісії. Максимум струму при цьому досягав 10-3 А/см2. Був проведений порівняльний аналіз експериментальних даних з теоретичними розрахунками, здійсненими у рамках запропонованої моделі.

Рис. 3 Зонна діаграма явища польової емісії з структури (Si-SiO2-d(Si)-SiO2)

Третій розділ присвячено дослідженню ЕПЕ з КВЕМ, покритих АПВ плівками. Цей блок досліджень мав декілька етапів:

1. Представлена методика отримання АПВ плівок (структури були виготовлені у Інституті надтвердих матеріалів м.Київ та НДП “Мікроприлад”, м. Київ), легованих та нелегованих азотом, методом хімічного осадження з паро-газової фази метану СН4 в атмосфері суміші водню та азоту. Контроль фазового складу та товщини плівок здійснювався за допомогою Оже-спектроскопії та еліпсометрії, відповідно. Фазовий склад плівок та їх товщина, істотно залежали від технологічних умов отримання, а саме від співвідношення величини потоків суміші газів СН4, Н2 і N2, а також температури підкладки. Діапазон товщини отриманих плівок варіювався від 8 нм до 110 нм.

2. Для більш широкого розуміння процесів струмопереносу при ЕПЕ в структурах КВЕМ покритих АПВ плівками, запропоновані методики по визначенню електрофізичних параметрів цих структур. Для визначення електропровідності АПВ плівки вимірювався струм через МДН структуру (Al- АПВ плівка- Si) в залежності від прикладеної напруги, за допомогою автоматичної установки Hawlet Pachard Analyzer 4145 A. Виходячи з отриманих результатів, зроблено припущення, що при даних товщинах плівок механізм туннелювання відповідає туннелюванню Фаулера-Нордгейма. Були отримані залежності питомого опору АПВ плівок від вмісту азоту в газовій суміші для двох рівнів тиску газів Р=0,2 і 0,8 Торр. Звідси випливає, що величина питомого опору суттєво залежить як від вмісту азоту в газовій суміші при осадженні, так і від тиску. Нелеговані АПВ плівки мають більший питомий опір (r~1015 Ом см ), але при збільшенні вмісту азоту у газовій суміші до 20% їх питомий опір різко спадає до значень 108 Ом см, і потім знову зростає. При Р=0,8 Торр спостерігається початковий зріст r при добавці азоту до 10 % в суміші із послідуючим зменшенням r. Для якісного пояснення експериментальних результатів виходили з моделі АПВ плівок як алмазо-подібної матриці (SP3-зв`язки) із графітоподібними включеннями в ній (SP2-зв`язки). Атоми вуглецю в SP2 положенні прагнуть зібратися в ароматичні кільця, утворюючи графітоподібні острівці. Атоми азоту в АПВ плівці стабілізують атоми вуглецю в SP3 центрах створенням C-N зв`язків. В той же час азот являє собою донорно-подібну домішку в АПВ плівках. В результаті цього утворюється структура з великою густиною домішкових станів у заборонений зоні. Поява цих станів спричиняє піднімання рівня Фермі, а це в свою чергу приводить до зниження поверхневого енергетичного енергетичного бар'єру. Нелеговані АПВ плівки показують провідність p- типу. При низьких рівнях легування азотом в АПВ плівці домішка n- типу компенсує p- тип. В результаті цього провідність АПВ плівок зменшується. Це також пояснюється тим фактом, що наявність домішкових станів, підвищує кількість електронів провідності в об'ємі АПВ плівки.

З нахилу вольт амперних характеристик, побудованих в координатах Фаулера-Нордгейма ( J/E2 - 1/E) та, беручи до уваги значення ефективної маси електрона в АПВ плівці, була розрахована залежність висоти енергетичного бар'єра на границі АПВ плівка і КВЕМ. Також була отримана залежність висоти даного бар'єра від концентрації азоту в газовій суміші. Були отримані плівки з мінімальним значенням ефективної роботи, при яких найбільш імовірне туннелювання електронів крізь бар'єр. З літературних даних відомо, що АПВ плівки леговані азотом є досить новим матеріалом, який побудований на основі композиції вуглецю C та водню H. Водневі атоми є стабілізуючим фактором щодо утримання зв'язків у sp3 структурній конфігурації, яка є більш стійкою. Саме ці конструктивні структурні особливості значно впливають на механічну стійкість та визначення параметрів цих структур як емітерів для ЕПЕ. Тому нами були проведено дослідження по визначенню вмісту sp2/ sp3 фаз в отриманих плівках. Застосовувалась методика визначення показника заломлення АПВ плівки за допомогою лазерного еліпсометра з довжиною хвилі (l=632,8 нм). З ростом sp3 фази спостерігалось зменшення показника заломлення, що цілком узгоджується з даними із використаної літератури.

1. Наступним етапом було дослідження параметрів ЕПЕ із КВЕМ, покритих АПВ плівками. Отримані залежності Ф-Н для ЕПЕ з КВЕМ, покритих АВП плівками, легованих і нелегованих азотом. Дані криві відповідають туннелюванню Фаулера-Нордгейма у широкому діапазоні напруг (Рис.4).

Рис. 4 Залежності Фаулера-Нордгейма для ЕПЕ з Si вістрійних матриць покритих АПВ плівками легованих та нелегованих азотом: (А)- Крива(1)- Si вістрійні матриці; криві(2-10) Si вістря+АПВ плівка: концентрації азоту (С(Н)) (2) - C(N)=5 %; (3) - 10 %; (4) - 15 %; (5) - 20 % (6) - 25 %; (7) - 30 %; (8) - 35 % (9) - 40 %; (10) - 45%, тиск суміші (P=0.2 Torr.).(Б)-Крива 0- Si вістрійні матриці; криві(1-4) -Si вістря+АПВ плівка: (1) - C(N)=0 %; (2) - 5 %; (3) - 20 %; (4) - 35 % (P=0.8 Torr.)

Характеристики Ф-Н були використані для визначення основних параметрів ЕПЕ: порогової напруги емісії, роботи виходу, коефіцієнта підсилення поля, ефективної площі емісії. Такі параметри як, фактор підсилення поля (b) та робота виходу (F) ми знаходили, використовуючи емпіричні формули. Фактор підсилення поля розраховувався, виходячи з геометрії емітуючої системи згідно виразу:

(2)

де r -радіус вістря, який визначений за допомогою СЕМ,

H-висота вістря,

d-товщина АПВ плівки,

L -відстань емітер-анод,

У випадку кремнієвих вістрів, не вкритих АПВ плівкою, b визначався з характеристики Ф-Н для кремнію (F=4.15 eВ). Ми спостерігали добре узгодження між розрахованим b, використовуючи рівняння (1) для випадку d=0 та визначеним із характеристики Ф-Н. Робота виходу для різних структур з АВП плівками визначалась з нахилу характеристики Ф-Н, використовуючи коефіцієнт b.

Співвідношення для робіт виходу для двох матеріалів (один із яких кремній, а другий кремній, покритий АПВ плівкою) має вигляд.

(3)

де Fi - роботи виходу,

bi -фактор підсилення поля,

bi - значення нахилів характеристик,

Індекси i=1 для кремнію, i=2 для кремнію покритого АПВ плівкою.

Фактор підсилення поля в багатьох випадках також залежить від радіуса кривизни кремнієвих вістрів, що робить його значення наближеним для КВЕМ покритих АПВ плівками. У наших розрахунках цією похибкою було знехтувано, оскільки радіус кривизни був значний. Порогова напруга, ефективна робота виходу та ефективна площа емісії здебільшого визначаються значенням вмісту азоту в АПВ плівці. При дослідженнях порогової напруги (Vth) із ростом концентрації азоту, було помічено її збільшення в інтервалі 0-15 %. Але потім, ми спостерігали спад на ділянці, де концентрація азоту змінювалась від 15 до 25%. З подальшим збільшенням концентрації Vth знову збільшувалась. Представлені залежності ефективної роботи виходу для КВЕМ покритих АПВ плівками від концентрації N2 у газовій суміші. Для порівняння, також приведена залежність для КВЕМ без АПВ. Спостережено немонотонну залежність, зокрема, зростання Ф при малих концентраціях азоту (Рис.5).

Рис. 5 Залежність ефективної роботи виходу (суцільні криві) та порогової напруги від концентрації азоту при різних тисках суміші:(Крива(1) - P=.0.6 Torr,Крива( 3) - P= 0.2 Torr, Крива(4) - P=0.8 Torr, Крива(2)- P=0.6 Torr)

Але починаючи з деяких значень у проміжку концентрацій від 10 до 20 %, для різних типів структур, спостерігалось падіння Ф. При подальшому зростанні концентрації N2 зростання F спостерігалось знову. Найменше значення для F=0.92 eV було виявлене для структур з АПВ плівками при концентрації азоту в газовій суміші N2=25%. Спостерігався значний вплив тиску газу на роботу виходу. Основні особливості характеристик вістрів, покритих АПВ плівками (помітне зменшення роботи виходу, немонотонна залежність роботи виходу від співвідношення SP3 і SP2 та інші), зумовлено зміною складу АПВ плівки і її структури. Алмазний характер домінує в області з високим складом SP3. Плівки мають досить високу якість і високе значення Ф. Зі зменшенням кількості SP3 зв`язків і відповідним збільшенням SP2 зв`язків дефектні зони з`являються в забороненій зоні, що дає зменшення ефективної роботи виходу. Крім того, помічено зменшення розмірів кластерів SP2, що може привести до дії квантових розмірних ефектів, які також призводять до зменшення роботи виходу за рахунок зсуву енергетичних рівнів.

З іншого боку, електронна спорідненість графіту є досить високою і приблизно дорівнює ширині забороненої зони алмазу. Збільшення вмісту SP3 зв`язку призводить до розщеплення енергетичної зони й виникнення енергетичної щілини. Подальший зріст умісту SP3 зв`язку зменшує ефективну роботу виходу. Ці два ефекти пояснюють немонотонну залежність ефективної роботи виходу від співвідношення SP3/ SP2. Показано, що існують оптимальні умови нанесення АПВ плівок, при яких досягається мінімум роботи виходу.

Теоретичні розрахунки зсуву електронного рівня приведені в рамках моделі Робертсонівських “кільцевих кластерів”, дають значення ~ 2-2.5 еВ для розмірів кластерів від 20 до 200 Е. Це значення добре узгоджується з нашими експериментальними даними.

Заключним етапом було теоретичне моделювання процесу ЕПЕ з КВЕМ, покритих АПВ плівками, заданих товщин у вигляді двох бар'єрної структури, де вихідний бар'єр був зумовлений відмінною від нуля енергією спорідненості АПВ плівки і вакууму. Трикутна потенційна яма на границі АПВ плівка і вакуум утвориться внаслідок нахилу зони провідності АПВ плівки під дією зовнішнього електричному полі. При певних параметрах АПВ плівки і напруженості електричного поля інтерференція електронних хвиль у цій потенційній ямі зумовлює квантування енергії й імпульсу електронів, тунелюючих крізь потенційний профіль, а також резонансний характер електронної емісії з емітерного шару Si. Дійсно, в експерименті при товщині АПВ плівки 8 нм. спостерігався резонансний пік струму ЕПЕ, що засвідчує кореляцію експериментальних та теоретичних результатів.

У четвертому розділі представлені дослідження ЕПЕ з КВЕМ, виготовлених не літографічним способом, а саме шляхом лазерної рекристалізації кремнію. Послідовні один за одним лазерні імпульси сформували одиночні досить однорідні конічні вістря. У цьому процесі кремнієва підкладинка (n-тип кремнію) локально розігрівалась до температури, що перевищувала температуру точки плавлення кремнію (Т=1412 оС). Дія відбувалася під опроміненням підкладинки YAG: Nd3 + лазером (довжина хвилі 1,06 мкм, тривалість імпульсу 0.2 м.с). У цілях отримання однорідної, періодичної матричної структури, підкладинка переміщувалась у площині X-Y за допомогою крокового двигуна. Густина енергії при лазерній обробці була в межах 10-30 J/cm2, що перевищує поріг плавлення кремнію. Плавлення відбувалось у режимі розвиненого випаровування. У результаті гідродинамічного удару, спричиненого парами кремнію розплав, був притиснутий до граней кратера, створюючи кільцеві утворення по його периметру. Після припинення дії лазерного імпульсу, зупинялась поява розплаву, в наслідок чого кільця на гранях кратера спадали. У центрі катера починав рости конус, при цьому температура розплаву була зменшена до точки кристалізації, що спричиняло зміцнення конічної поверхні. Морфологія поверхні, а також фазовий склад, визначався методами СЕМ та Оже-спектроскопії. По своїй структурі ці емітери, являють собою кремнієві конічні вістря, покриті нанокомпозитними плівками типу SixOy (Si), властивості яких зараз дуже широко досліджуються. Виміри ЕПЕ проводилися з усіх типів отриманих структур із нанокомпозитними плівками. Для пояснення особливостей вольт-амперних характеристик та порівняння їх в залежності від типу структури визначено ряд основних характеристик ЕПЕ: порогову напругу (V пор), ефективну площу емісії (a) і фактор локального підсилення поля (b) з рівняння Фаулера-Нордгейма, згідно методики розглянутої у попередніх розділах. Була детально досліджена матриця з досить високими параметрами емісії: a=1.75x10-8 cм2, b=3.6x105cm-1. У кількох нанокомпозитних структурах на ВАХ спостерігалися один або два піки струму. Залежності струму від напруги в області максимуму були асиметричними, що пов'язано з особливостями електронного переносу через дані структури. Для пояснення механізмів струмопереносу було запропонована модель. Вона виходить з припущення, що в структурах з нанокомпозитними плівками за рахунок квантово-розмірного ефекту в ділянці квантової ями виникають енергетичні рівні, які підвищують імовірність туннелювання електронів при заданому значені поля. В результаті спостерігається процес резонансного туннелювання. Процес переносу електронів проходить через два потенціальних бар'єри, які розділені квантовою ямою, що виникає за рахунок нанокристалів кремнію в пористій або непористій кремнієвій оксидній матриці на поверхні конуса. Можливо також припустити, що приведені ВАХ з одним або двома максимумами є N-подібні характеристики, які типові для аморфних напівпровідників. Аморфізація матеріалів у багатьох випадках відбувається при різких змінах температури, що цілком можливо при імпульсному лазерному опроміненні. Якщо стверджувати, що піки на ВАХ пов'язані з наявністю енергетичних рівнів у квантовій ямі, тоді по відстані між піками можна оцінити розміри наночастинок кремнію. Така оцінка дає значення менше 10 ангстрем, що не відкидає можливість аморфізації зразків. Однак останні літературні данні, по КРС та фотолюмінісценції з розглянутих структур підтверджують, що переважає саме фаза кристалічного кремнію ніж аморфного, що підкреслює правомірність запропонованої моделі.

Основні результати та висновки

У дисертації проведено фізико-технічні дослідження польових емісійних властивостей КВЕМ структур із різними типами шарів, а саме:: плівками з дельта-легованими шарами типу Si-SiO2-d(Si)-SiO2 та Si-SiO2-d (Cs), алмазо-подібних вуглецевих (АПВ) плівок, нанокомпозитних плівок типу нк-SiOx. Уперше приведено значення основних параметрів ЕПЕ для таких структур.

Показано перспективність їх подальшого використання як емітерів у приладах вакуумної мікроелектроніки та ПЕД. Детально вивчені процеси протікання ЕПЕ у цих структурах. На основі проведених експериментальних досліджень зроблені припущення, стосовно механізмів ЕПЕ в досліджуваних зразках. Зробивши детальний аналіз отриманих результатів, ми прийшли до таких висновків:

1. Використання багатошарових структур з дельта-легованими шарами на основі кремнію (Si-SiO2-d(Si)-SiO2 та Si-SiO2-d (Cs)) дає змогу реалізувати механізм резонансного туннелювання електронів у вакуум. Ці структури перспективні для застосування як генератори надвисокочастотних електромагнітних коливань.

2. Покриття КВЕМ АПВ плівками значно покращує їх емісійні властивості і передусім зменшує роботу виходу. Така властивість є досить перспективною щодо застосування в низьковольтних ПЕД.

3. Отримання АПВ плівок методом плазмохімічного осадження з парофазної фази дає змогу ефективно керувати їх фізичними властивостями в залежності від технологічних режимів.

4. КВЕМ сформовані шляхом лазерної рекристалізації кремнію і покриті нанокомпозитною плівками типу SixOy (Si). При емісії електронів у вакуум в залежності від умов формування спостерігається явище резонансного туннелювання. Простота формування таких структур є основою їх, широкого використання в емісійних приладах.

Основні результати роботи представлено в статтях

1. Litovchenko V.G., A.A. Evtukh, Yu.M. Litvin, N.M. Goncharuk, V.E. Chayka. Observation the resonant field emission in the silicon tips arrays // Jour. Vac. Sci. Technol. B. 1999. V17. P. 655-658.

2. Evtukh A.A., E.B. Kaganovich,V.G. Litovchenko, Yu.M. Litvin, E.G. Manoilov Emission properties of the silicon nanocomposite structures // Jour. Functional Materials. 1999. V.6. №3. P. 448-452.

3. Evtukh A.A., E.B. Kaganovich,V.G. Litovchenko, Yu.M. Litvin, E.G. Manoilov, S.V. Svechnikov Nanocrystalline silicon structures for electron emitter arrays // Proc. Physics, Chemistry and Application of Nanostructures. 1999. P. 287-290.

4. Evtukh A.A., E.B. Kaganovich,V.G. Litovchenko, Yu.M. Litvin, D.V. Fedin, E.G. Manoilov, S.V. Svechnikov. Electron field emission from laser produced silicon tip arrays // Jour. Semicond. Physic. Quant. Opt. 2000. V3. №4. P. 474-478.

5. Evtukh A.A., V.G. Litovchenko, Yu.M. Litvin, S.Yu. Kudzinovski, D.V. Fedin. Structures with cesium enriched layer for enhancement of electron field emission // Jour. Phys. Low-Dim. Struct. 2001. V.1/2. P. 21-30.

6. Efremov A.A., A.A. Evtukh, D.V. Fedin, V.G. Litovchenko, Yu.M. Litvin, Yu.V. Rassamakin, and A.V. Sarikov Porous silicon as a material for enhancement of electron field emission.// Jour. Phys. Low-Dim. Struct. 2001. V.1/2. P. 65-72.

Анотація

Литвин Ю.М. Дослідження електронних властивостей шаруватих структур з алмазо-подібними вуглецевими та оксидними плівками на кремнії. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. - Інститут фізики напівпровідників НАН України, Київ,2001.

Дисертація присвячена встановленню та пояснення електронно-польових емісійних властивостей шаруватих структур на основі кремнію, як основи кремнієвих вістрійних емітерних матриць (КВЕМ). Виявлено явище резонансного туннелювання в структурах (Si-SiO2-Si-SiO2 та Si-SiO2(Cs)) в діапазоні полів 5х1078х107 В/см. Проведено експериментальне та теоретичне дослідження параметрів емісійного струму в залежності від товщини бар'єрів і квантової ями. Виявлено залежність фізичних властивостей та ЕПЕ АПВ плівок від вмісту азоту в суміші газів при PE CVD осадженні, а саме спостережено немонотонну залежність роботи виходу електронів у вакуум та порогової напруги ЕПЕ від вмісту азоту. У випадку надтонких АПВ плівок (8 нм) експериментально виявлено явище резонансної польової емісії при появі квантової ями на границі розподілу АПВ плівкавакуум. Вивчено особливості ЕПЕ з вістрійних матриць, сформованих шляхом лазерної рекристалізації кремнію та покритих у процесі формування нанокомпозитними плівками SixOy(Si). Виявлено явище резонансного туннелювання носіїв із таких структур, сформованих при певних технологічних умовах.

Ключові слова: кремнієва вістрійна емітерна матриця (КВЕМ), шарувата структура, електронна польова емісія (ЕПЕ), резонансне туннелювання, алмазо-подібна вуглецева (АПВ) плівка, нанокомпозитна плівка.

Аннотация

Литвин Ю.М. Исследование электронных свойств слоистых структур с алмазо-подобными углеродными и оксидными пленками на кремнии. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. - Институт физики полупроводников НАН Украины, Киев,2001.

Диссертация посвящена установлению и объяснению электронных и эмиссионных свойств слоистых структур с алмазо-подобными углеродными и оксидными пленками на кремнии, как основы кремниевых острийных эмитерных матриц (КВЕМ). Выявлено явление резонансного туннелирования в структурах (Si-SiО2-Si-SiО2 и Si-SiО2(Cs)) в диапазоне полей от 5х107 до 8х107 В/см. Проведено экспериментальное и теоретическое исследование параметров эмиссионного тока в зависимости от толщины барьеров (30 ангстрем) и квантовой ямы (20 ангстрем). Выявлена зависимость физических свойств АПУ пленок от концентрации азота в смеси газов при PE CVD осаждении, в частности наблюдалась немонотонная зависимость работы выхода и порогового сопротивления электронов в вакуум. В случае сверхтонких АПУ пленок (8 нм) экспериментально выявлено явление резонансной полевой эмиссии при появлении квантовой ямы на границе раздела АПВ пленка вакуум. Изучены особенности ЭПЭ с острийных матриц, сформированных путем лазерной рекристаллизации кремния и покрытых в процессе формирования, нанокомпозитними пленками SixOy(Si). Выявлено явление резонансного туннелювання носителей из таких структур, при определенных условиях их формирования.

Ключевые слова: кремниевая острияная эмитерная матрица (КОЭМ), слоистая структура, электронная полевая эмиссия (ЭПЭ), резонансное туннелирование, алмазо-подобная углеродная (АПВ) пленка, нанокомпозитная пленка.

Abstract

Litvin Yu.М. The investigation of electron properties the layer structures with diamond-like carbon films and oxide films on base silicon.

The thesis for scientific degree of physics and mathematican candidate on 01.04.07 speciality - solid state physics. - Institute of Semiconductors Physics NAC of Ukraine, Kyiv,2001.

The establishment and explanation of electron field emission properties the layers structures on base silicon, as silicon emiter tips arrays (SETA) are study in this thesis. The resonant tunneling phenomenon was obtained in multi-layer structures (Si-SiO2-Si-SiO2 и Si-SiO2(Cs)) at range electric field from 5х107 to 8х107 V/sм. The experimental and theoretical investigations of dependencies the emission current at thickness barriers (30 angstrom) and quantum well (20 angstrom) are reported in this thesis. It is established that, the physical properties dimond-like carbon films (DLC) films is strongly dependencies with concentration nitrogen in gas mixture. Thus, the nonmonotonous dependences the work function and threshold voltage with nitrogen content was obtain in detail. In case super thin DLC films (8 nm), to be obtained resonant tunneling phenomenon, due to emerging quantum well on the surface DLC film and vacuum. The properties electron field emission with SETA forming by laser modification silicon surface, as structures with nanocomposite covering SixOy(Si) was invastigated in detail. The resonans tunneling phenomenon was investigation in this structures.

Keywords: silicon emiter tips arrays (SETA), layers structures, electron field emission (EFE), resonant tunneling phenomenon, dimond-like carbon films (DLC), nanocomposite film.

Размещено на Allbest.ru