Анотація до роботи:

Кузнецов Г.В. Надпровідні та ненадпровідні купратні оксиди в напівпровідникових гетероструктурах. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10 – фізика напівпровідників та діелектриків. Київський національний університет імені Тараса Шевченка. Київ, 2003 р.

В дисертаційній роботі наведені результати досліджень контактних явищ в напівпровідникових гетероструктурах з надпровідними та ненадпровідними купратними оксидами. Зясовані процеси утворення ненадпровідних фаз на поверхні та межах розділу виокотемпературних надпровідних (ВТНП) купратних оксидів, визначені домінуючі механізми електропровідності в таких фазах. На основі теоретичної моделі контакту метал – напівпровідник проаналізовано вплив надпровідності одного з електродів (металу або напівпровідника) на процеси переносу носіїв заряду. Отримані аналітичні вирази для надбарєрної та тунельної компонент струму через контакт з урахуванням ролі проміжного діелектричного шару. Встановлені основні закономiрностi між структурно-хімічними і електрофізичними властивостями контактних структур ВТНП - метал, ВТНП – напівпровідник. Досліджені процеси твердофазного синтезу і визначені електричні параметри діелектричних (силікатних) та металічних (силіцидних) буферних антидифузійних шарів на кремнії. Експериментально визначені механізми впливу адсорбції на електрофізичні характеристики контактів метал-кремній з проміжним шаром купратного оксиду. Показано, що визначальними для газової чутливості є зміни провідності та діелектричної сталої проміжного оксидного шару, висоти потенціального бар`єру, перерозподілу падіння напруги в структурі.

Представлені в роботі результати та наукові положення вирішують наукову проблему - створення фізичних основ роботи поверхнево-барєрних напівпровідникових структур з тонкими шарами купратних оксидів (надпровідних та ненадпровідних).

З'ясовані механізми електронного переносу в контактах надпровідник – напівпровідник та метал - надпровідний напівпровідник; визначені механізми структурно-хімічних перетворень в контактах ВТНП - метал та ВТНП - кремній, встановлені закономірності формування методами твердофазного синтезу буферних шарів на кремнії з діелектричними та металічними властивостями, створені ефективні газові сенсори з оксидними шарами. Отримані результати можуть бути використані для подальшого розвитку теорії гібридних ВТНП - напівпровідникових структур та для створення нових функціональних елементів мікроелектроніки.

Основні наукові та практичні результати роботи:

1. Термічний розпад надпровідної фази та хімічна взаємодія з газовими компонентами оточуючої атмосфери визначають процеси утворення ненадпровідних фаз на поверхні ВТНП купратних оксидів. Електричні та оптичні характеристики ненадпровідних купратних фаз знаходять роз'яснення в рамках моделі напівпровідників з малою рухливістю носіїв заряду (10^-1-10^-3 см²/В.с). Наявність малорухливих носіїв типу поляронів визначає характер частотної залежності провідності в інтервалі низьких температур, де домінуючим є стрибковий механізм переносу носіїв заряду. Купратні оксиди в системі 1:2:3 (YBa₂Cu₃O_7-, CuО, BaCuО₂, Y₂BaCuО₅) мають близькі експериментальні значення енергій зв'язку поляронних станів: Е_р =0,1-0,15 еВ.

2. Одержані аналітичні вирази для термоелектронної і тунельної компоненти струму в контакті надпровідник – напівпровідник з проміжним діелектричним шаром. Перехід металу в надпровідний стан призводить до зменшення прямого і збільшення зворотного надбарєрного струму. В тунельному контакті надпровідник-напівпровідник параметр нелінійності зменшується при збільшенні відносної товщини проміжного діелектричного шару і ступеня легування напівпровідника. Значення тунельно-резонансного струму за участю глибоких центрів в області просторового заряду напівпровідника за їх достатньої концентрації та низьких температур може перевищувати відповідні значення надбарєрного і тунельного струмів.

3. В рамках діодної теорії розраховані вольт-амперні характеристики контакту метал - надпровідний напівпровідник. Наявність енергетичної щілини 2 в густині станів напівпровідника обумовлює зменшення надбарєрного струму в близькому до висоти потенціального бар'єра інтервалі напруги: . Зменшенню надбарєрного струму сприяють більші значення параметра і зниження температури. При виконанні умови в контакті метал - надпровідний напівпровідник стає можливим ефект зворотного випростування.

4. Контакти метал - ВТНП з хімічно неактивними металами (Аg, Au, Pd, Pt) характеризуються малими значеннями контактного опору 10^-7-10^-9 Ом.см². Властивості межі розділу в таких контактах визначаються двома основними факторами: дифузією кисню і проникненням металу в приповерхневий шар ВТНП матеріалу. В контактах метал - ВТНП з хімічно активними металами (Ті, Ni, Al та ін.) процеси хімічної взаємодії і утворення нових сполук на межі розділу обумовлюють зростання контактного опору. Температурні залежності контактного опору знаходять пояснення на основі уявлень про проходження носіїв заряду в надпровідній перколяційній сітці. Зниження ефективної розмірності перколяційної сітки в області контакту і локалізація струму призводить до руйнування джозефсонівських звязків при значно меншій порівняно з обємом густині струму

5. Зміна електрофізичних властивостей контактів метал - ВТНП під дією іонізуючого випромінювання визначається двома основними механізмами: утворенням структурних дефектів і радіаційною стимуляцією процесів взаємодії на межі розділу між контактуючими матеріалами. Основна причина дефектоутворення обумовлена іонізаційною дією -опромінення і розривом слабких звязків в ланцюжках Cu-О. В контактах із хімічно активним металом при збільшенні дози іонізуючого опромінення зростає роль радіаційно-стимульованих процесів взаємодії на межі розділу між контактуючими матеріалами.

6. В контактних структурах YВaCuO - кремній основні зміни хімічного складу відбуваються в перехідному шарі між плівкою та підкладкою і є результатом зустрічної дифузії атомів барію, кисню та кремнію. Переважним результатом хімічної взаємодії в інтервалі температур 600-800^оС С є утворення на межі розділу шару силікатів барію, товщина якого зростає з температурою і тривалістю відпалу. Висока швидкість надходження атомів барію в зону реакції обумовлює лінійну залежність росту товщини силікатного шару від часу відпалу.

7. Природа глибоких центрів в гетероструктурах YВaCuO - кремній визначається процесами дефектоутворення та формування сторонніх фаз на межі розділу. В приповерхневій області підвищення температури формування призводить до зміни енергетичних характеристик глибоких центрів, що обумовлено зміною структури та розмірів силікатних включень в напівпровідниковій матриці. Польова стимуляція спустошення мікроскопічних пасток описується ефектом Пула-Френкеля.

8. В невзаємодіючих притискних структурах ВТНП – напівпровідник спостерігаються типові для контактів метал - напівпровідник з барєром Шотткі випростуючі характеритстики. Висота потенціального барєру має значення _b0,8еВ для контактів YBaCuO-nSi і _b0,5еВ для контактів YBaCuO-рSi. Запропоновано спосіб оцінки ступеню неоднорідності межі розділу в такого типу гетероструктурах методами математичного моделювання електрофізичних характеристик.

9. Ортосилікат барію Ва₂SiО₄ є ефективним матеріалом для буферного антидифузійного бар'єру в структурах ВТНП – кремній, що забезпечується узгодженістю кристалоструктурних параметрів ортосилікату барію з відповідними параметрами надпровідної плівки та кремнію, наявністю в його складі спільних елементів як з плівкою (Ва,О) так і з підкладкою (Si,O). Визначено оптимальні умови (відпал в атмосфері кисню при Т=750-780^оС) формування шару ортосилікату барію. Нанесені на такий буферний шар плівки YBaCuO мають задовільні надпровідні властивості при Т_с=89-90 К.

10. Визначені взаємозв'язки між процесами хімічної взаємодії в системі оксид барію – кремній і емісійними характеристиками виготовлених структур. Нанесення на поверхню кремнію тонких покриттів на основі оксидів барію обумовлює зменшення порогу електронної емісії і підвищення стабільності емісійних характеристик.

11. Буферні шари з металевим типом провідності на основі дисиліциду кобальту дозволяють вирішити проблему формування якісних ВТНП плівок на кремнієвій підкладці з одночасним забезпеченням низькоомного омічного контакту як до кремнію, так і до надпровідної плівки. Попередня іонна імплантація Со⁺ призводить до суттєвої аморфізації поверхневого шару кремнію і відповідно до зменшення впливу дезорієнтуючих ефектів на формування силіцидного шару. Мінімум ємності в вольт-фарадній характеристиці легованих іонами Со⁺ контактних структур СоSi₂ – nSi обумовлений наявністю -подібного шару преципітатів кобальту в об`ємі напівпровідника.

12. Механізм впливу адсорбції на електричні характеристики поверхнево-барєрних структур метал - проміжний шар поруватого купратного оксиду – напівпровідник визначається змінами провідності та діелектричної сталої проміжного шару, висоти потенціального бар`єру Шотткі, перерозподілу падіння напруги в структурі. Запропонований метод роздільного визначення впливу адсорбції на електричні параметри проміжного шару і гетерограниці на основі аналізу залежності другої похідної від прикладеної напруги.

13. Розроблені методи формування гетероструктур Ni-CuO-п,рSi з різною структурою проміжного шару купратного оксиду. Показано, що в гетероструктурах Ni-CuO-n,рSi реалізується подвійна функція плівки купратного оксиду: мембрани для молекул газу і газочутливого елементу. Модифікація поверхні плівки CuO каталітично активним металом (Pt,Pd) призводить до зменшення температури максимальної чутливості гетероструктур.

14. Зміни електричного імпедансу МДН-структур з проміжним шаром купратного оксиду при адсорбції води є основою для створення сенсора вологості ємнісного типу і можуть використовуватися для оцінки розмірів пор в плівці оксиду методами адсорбційно-ємнісної порометрії. В рамках циліндричної моделі пор визначено, що при капілярному механізмі конденсації вологи максимальний вклад в зміну діелектричної проникності плівки CuO вносять пори з розміром r_k <20-30нм. Залежність відносної зміни ємності в газовому середовищі від прикладеної напруги має немонотонний характер, що дозволяє вибирати діапазон напруги з максимальною чутливістю.

Публікації автора:

1. Алфеев В.Н., Груша С.А., Кузнецов Г.В., Угрин М.И. Экспериментальное исследование джозефсоновских переходов с полупроводниковым барьером и контактов сверхпроводник-полупроводник. //Радиотехника и электроника. -1979. -т.24, №11. -с.2320-2325.

2. Кузнецов Г.В. Вольт-амперная характеристика туннельного контакта сверхпроводник-полупроводник. /В кн.: Полупроводниковые приборы с барьером Шоттки. - Киев: Наукова думка. -1979. -с.140-146.

3. Бузанева Е.В., Кузнецов Г.В., Стриха В.И. О прохождении туннельного резонансного тока в контактах металл-полупроводник. //Радиотехника и электроника. -1982. -т.27, №3. -с.615-617.

4. Бузанева Е.В., Ветров А.П., Кузнецов Г.В., Мунтян Ю.Г. Влияние глубоких уровней радиационных дефектов в кремнии на характеристики структур Al-V-nSi после -облучения. //Радиотехника и электроника. -1985. -т.30, №11. -с.2291-2293.

5. Кузнецов Г.В., Стриха В.И. Анализ детального хода вольт-амперной характеристики контакта металл - полупроводник с барьером Шоттки. //Вестник Киевского университета. Сер. Физика. -1986. -№27. -с.50-60.

6. Бузанева Е.В., Кузнецов Г.В., Стриха В.И. Температурные изменения электронных состояний границы раздела металл-кремний. //Микроэлектроника. -1986. -т.15, №3. -с.275-277.

7. Богуславский Ю.М., Кузнецов Г.В., Руденко Э.М., Стриха В.И. Электрофизические характеристики контактных структур Cr-YBaCuO. /В кн.: Проблемы высокотемпературной сверхпроводимости. -Киев. -1988. -с.60-61.

8. Кузнецов Г.В., Левандовский В.Г., Стриха В.И. Моделирование контакта металл-высокотемпературный сверхпроводник в условиях планарно-неоднородного прохождения туннельного тока. /В кн.: Проблемы высокотемпературной сверхпроводимости. -Киев: -Наукова думка. -1989. -с.59-62.

9. Кузнецов Г.В., Робур Е.Г., Скрышевский В.А., Стриха В.И. ИК-спектроскопия границы раздела металл-ВТСП. /Сб. материалов 11 всесоюзной конференции по высокотемпературной сверхпроводимости. -Киев. -1989. -т.2. -с.160-161.

10. Кузнецов Г.В., Левандовский В.Г., Стриха В.И. О механизмах прохождения тока в контактных структурах металл - высокотемпературный сверхпроводник. /Сб. материалов 11 всесоюзной конференции по высокотемпературной сверхпроводимости. -Киев. -1989. -т.2. -с.216-217.

11. Авраменко В.А., Кузнецов Г.В., Стриха В.И., Шека Д.И. N-образная вольт-амперная характеристика диодной структуры с переменной топологией области обеднения. //Микроэлектроника. -1989. -18. -№5. -с.470-472.

12. Белоусов И.В., Дядюн Ю.А., Кузнецов Г.В., Полищук А.О. Способ изготовления джозефсоновского перехода. А. с. СССР №1464836 от 08.08.1989.

13. Авраменко В.А., Кузнецов Г.В., Стриха В.И., Шека Д.И. Структура области обеднения и вольт-амперная характеристика контакта металл-полупроводник с омическими включениями. //Известия ВУЗов. Сер. Физика. -1990. т.33, № 4. -с.21-25.

14. Ветров А.П., Кузнецов Г.В., Панасюк В.Н.,Смирнов В.И., Стриха В.И. Способ определения параметров глубоких уровней в полупроводниковых структурах. А. с. СССР №1570563 от 08.02.1990.

15. Вдовенкова Т.В., Ильченко В.В., Кузнецов Г.В., Стриха В.И. Влияние отжига на свойства структур металл - ВТСП. /В кн.: Физика и технология тонких пленкок сложных полупроводников. Труды V респ. конференции. -Ужгород. -1992. –с.192-194.

16. Ilchenko V.V., Kuznetsov G.V. Contact effects in heterostructures based on high temperature superconductors YBaCuO. //Proc. of Int. Conf. "Physics in Ukraine". Radiophysics and Electronics. - Kiev. -1993. - p.125-128.

17. Вєтров О.П. Кузнецов Г.В. Метод дослідження вольт-амперних характеристик нелінійних елементів. //Вісник Київського університету. Сер. Фіз.-мат. науки. -1993. -№2. -с.166-171.

18. Вelousov I.V., Ilchenko V.V., Kuznetsov G.V., Strikha V.I. Effects of interаction in YBaCuO-GaAs structures with chemical active silicide buffer layer. //Physica C. -1994. -v.235-240. -p.607-608.

19. Вєтров О.П., Кузнецов Г.В. Ємнісний спектрометр глибоких рівнів. //Вісник Київського університету. Сер. Фіз.-мат.науки. -1994. -с.293-300

20. Вelousov I.V., Ilchenko V.V., Kuznetsov G.V., Ruban A.I., Skryshevsky V.A. YBaCuO-Si structures with barium silicаte buffer layers. //Proc. of Int. Workshop on Advanced Technologies of Multicomponent Solid Films and Structures. -Ujgorod. -1994. -p.28-29.

21. Вдовенкова Т.В., Ільченко В.В., Кузнецов Г.В., Неволін В.С., Стріха В.І. Вплив температури кремнієвої підкладинки на взаємодію з плівкою оксидного надпровідника типу 1:2:3. //Вісник Київського університету. Сер. Фіз.-мат. науки. -1994. -с.385-393.

22. Вelousov I.V., Ilchenko V.V., Kuznetsov G.V., Ruban A.I., Strikha V.I. Superconducting YBaCuO thin films on silicon with barium silicate buffer layers. //IEEE Trans. Appl. Superconducting. -1995. -v.5. -№2. -pаrt.2. -p.1510-1512.

23. Belousov I.V., Ilchenko V.V., Kuznetsov G.V., Rudenko E.M. Investigation of the electrical properties of heterostructures YBaCuO-Si with silicide buffer layer. //Mater. of Int. Workshop on Superconductivity. -Maui. -1995. -p.458-459.

24. Belayev A.I., Bykov V.I., Buzaneva E.V., Vdovenkova T.V., Kuznetsov G.V., Pechen E.V., Brunner B., Schoenberger R. SPM view of surface morfology and atomic structure of YBCO films on Si with buffer layers. //Abstracts. 6-th Europ. Conf. On Applications of Surface and Interface Analysis. -Montreux. -1995. -p.SU-9.

25. Boyko P.A., Kuznetsov G.V., Loboda P.I., Tsyganova A.I. Barium silicate buffer layer for HTSC-silicon structures. //Functional Materials. -1996. v.3.-№3. -p.283-287.

26. Ільченко В.В., Кузнецов Г.В., Скурський В.В., Циганова Г.І. Процеси фазоутворення в системі ВаО-SіО₂. //Вісник Київського університету. Сер. Фіз.-мат. науки. -1997. -№2. -с.263-269.

27. Бiлоусов І.В., Ільченко В.В., Кузнецов Г.В., Стріха В.І. Спосіб виготовлення надпровідних оксидних плівок на кремнії. Патент України №18067 А від 17.06.1997р.

28. Ильченко В.В., Кузнецов Г.В., Скурский В.В., Цыганова А.И. Формирование бариевосиликатного слоя на кремнии. //Микроэлектроника. –1998. –т.27. -№5. -с.340-345. (Ilchenko V.V., Kuznetsov G.V., Skursky V.V., Tsiganova A.I. Formation of Ba₂SiO₄ buffer layer on Si structures. //Microelectonics. –1998. –v.27. -№5. -р.291-296).

29. Бомк О.Й., Ільченко Л.Г., Ільченко В.В., Кузнецов Г.В., Пінчук О.М., Стріха В.І. Механізм газової чутливості до аміаку структур нікель-п-кремній. //Український фізичний журнал. –1998. –т.43. -№1. –с.125-128.

30. Кузнецов Г.В. Вплив хімічного складу на електрофізичні властивості ненадпровідних купратних фаз. //Вісник Київського університету. Сер. Фіз.-мат. науки. -1998. -№1. -с.256-261.

31. Бомк О.Й., Ільченко Л.Г., Ільченко В.В., Кузнецов Г.В., Пінчук О.М., Пінчук В.М., Стріха В.І. Про природу чутливості до аміаку газових сенсорів на основі структур надтонка металева плівка - кремній. //Український фізичний журнал. -1999. -т.44. -№6. -с.759-763.

32. Кузнецов Г.В. Поляронний транспорт в діелектричних купратних оксидах. //Вісник Київського університету. Сер. Фіз.-мат. науки. -1999. №4. -с.271-274.

33. Bomk O.I., Ilchenko L.G., Ilchenko V.V., Kuznetsov G.V., Pinchuk A.M., Pinchuk V.M., Strikha V.I. About the gas sensitivity of contacts metal - silicon with the superthin nickel and titanium films to the ammonia environment. //Sensors and actuators. –2000. –v.В62. -р.131-135.

34. Білоусов І.В., Ільченко В.В., Кузнецов Г.В. Вплив імплантації іонів Со⁺ в кремній на формування силіциду кобальту. //Вісник Київського університету. Сер. Фіз.-мат. науки. -2000. -№2. -с.382-390.

35. Bomk O.I., Ilchenko L.G., Ilchenko V.V., Kuznetsov G.V. The influence of the superthin metallic film structure on the gaz sensivity of the metal - silicon surface barrier sensors. //Proc. the 14-th European conference on solide-state transducers. Eurosensors-14. -Copenhagen. -2000. -p.189-191.

36. Ильченко В.В., Кузнецов Г.В. Влияние кислорода на взаимодействие и работу выхода в структурах Ва-Si и ВаО-Si. //Письма в ЖТФ. –2001. -т.27. -№8. – с.58-63. (Ilchenko V.V., Kuznetsov G.V. Effect of oxygen on the chemical reactions and electron work function in Ba-Si and BaO-Si structures. //Technical Rhysics Letters.-2001.–v.27.-№4.-p.333-335).

37. Кузнецов Г.В. Термоэлектронный ток в контактe металл - сверхпроводящий полупроводник. //Письма в ЖЭТФ. –2001. -т.74. -№10. – с.556-559. (Kuznetsov G.V. Тhermionic сurrent in a metal – superconducting semiconductor junction. //JETF Letters. –2001. -v.74. –№10. –p.495-497).

38. Kuznetsov G.V., Skryshevsky V.A., Tsyganova A.I., Vdovenkova T.A., Gorostiza P., Sanz F. Platinum electroless deposition on silicon from hydrogen fluoride solutions: electrical properties. //Journal Еlectroсhem. Society. –2001. –v.148. –№8. -p.528-532.

39. Ильченко В.В., Кузнецов Г.В., Телега В.Н., Цыганова А.И. Влияние условий формирования на эмиссионные характеристики тонкопленочных структур ВаО-Si. //Proc. of the 12-th Int. Symp."Thin films in erlectronics”. –Kharkov. –2001. -p.96-99.

40. Кузнецов Г.В. Прохождение носителей заряда в контакте металл - сверхпроводящий полупроводник. //Физика и техника полупроводников. -2002. -т.36. -№9. -с.1077-1083. (Kuznetsov G.V. Charge carrier transport through the contact of metal with a superconducting semiconductor. //Semiconductors. –2002. -v.36, №9. –p.1001-1007).

41. Kilchitskaya T.S., Kuznetsov G.V., Skryshevsky V.A., Tretyak O.V., Sanz F. Electrical and gas sensing properties of porous silicon formed by platinum electroless deposition on silicon from hydrogen fluoride solutions. //Mater. of the 3-th Int. Conf. "Porous semiconductors – science and technology".- Tenerife, 2002.-р.115-116.

42. Belousov I., Buzaneva E., Gorchinskiy A., Kuznetsov G., Lysko O., Lytvyn P., Popova G., Veblaya T., Vysokolyan O., Zherebeskyy D. Self formation of Si nanostructured layer at the metal silicide/silicon interface. //Materials Science and Engineering C. –2003. –v.23. –p.181-186.

43. Кузнецов Г.В., Третяк О.В. Влияние адсорбции воды на емкость структур металл – пористая пленка купратного оксида – кремний. //Сб. докладов Международного симпозиума «Функциональные покрытия на стеклах» (FCG-1). –Харьков. –2003. -с.213-217.

44. Кузнецов Г.В., Циганова А.І. Вплив структури проміжного шару на газову чутливість контактів метал – оксид міді – кремній. //Вісник Київського університету. Сер. Фіз.-мат. науки. -2003. -№3. -с.289-293.