Анотація до роботи:

Євтух А.А. “Тунельна інжекція та емісія електронів в шаруватих напівпровідникових структурах на кремнії”.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10 –фізика напівпровідників і діелектриків.- Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є.Лашкарьова НАН України, Київ, 2004.

Досліджені процеси тунельної інжекції в тверде тіло та тунельної емісії електронів в вакуум в шаруватих структурах на кремнії. Встановлено основні закономірності тунельного проходження електронів через надтонкі плівки двоокису кремнію і алмазоподібні вуглецеві плівки, шаруваті структури з дельта-легованими та нанокомпозитними плівками. Виявлено суттєвий вплив величини вбудованого в SiO₂ заряду, типу і рівня легування алмазоподібних вуглецевих плівок та вмісту в них sp³ фази, наявності структур з дельта-легованими та нанокомпозитними плівками на характер енергетичної зонної діаграми та процеси тунельного переносу електронів. Показано перспективність застосування таких структур в приладах субмікроннї мікро-та наноелектроніки, як твердотільної, так і вакуумної.

В дисертації розглянута наукова проблема виявлення основних закономірностей тунельної інжекції та емісії електронів в шаруватих структурах з надтонкими діелектричними та напівпровідниковими шарами на кремнії. Отримано ряд нових результатів, які в комплексі дають змогу вирішити поставлену проблему. Вивчені механізми тунелювання електронів через надтонкі плівки SiO₂, АПВ плівки та багатошарові плівки з квантовими ямами. Виявлено ряд нових фізичних ефектів – вплив вбудованого в SiO₂ заряду на величину бар’єру на границі розділу та електричний пробій плівки, ефекти збільшення електронної та фотоелектронної емісії при імплантації водню, вплив рівня легування АПВ плівок азотом та кремнієм на їх електропровідність і параметри ЕПЕ, резонансне тунелювання при ЕПЕ в вакуум, та ряду інших – і надана їх послідовна інтерпретація.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ дисертації:

1. Вперше виявлено немонотонні залежності висоти енергетичного бар’єру для електронів на границі розділу Si-SiO₂ та електричного поля при пробої SiO₂. Вони пояснені на основі особливостей вбудови та розподілу від’ємного і додатнього зарядів в плівці двоокису кремнію та їх впливом на величину вбудованого електричного поля та рівень інжекційних струмів. Експериментально виявлено вбудову від’ємного заряду в приграничній області SiO₂. Від’ємний заряд обумовлений домішками B і P в плівці SiO₂, що дифундують з легованого кремнію при окисленні.

2. Виявлено вбудову ефективного від’ємного заряду в надтонкі плівки SiO₂ вирощені в сухому кисні під дією g-опромінення при нульовому зміщенні на затворному електроді. Вбудова від’ємного заряду спостерігається для структур з високим рівнем легування кремнієвої підкладки бором і при дозах g-опромінення 10⁴, 10⁵ рад (Si). Запропонована модель вбудови від’ємного заряду в надтонкі плівки SiO₂ при g-опромуненні, яка базується на процесах, що протікають в приграничному шарі двоокису кремнію. При рості плівок SiO₂ проходить дифузія (сегрегація) бору з кремнію в двоокис кремнію. Бор вбудовується в структурну сітку SiO₂. Розрив зв’язків B-O під дією g-опромінення і приводить до вбудови від’ємного заряду.

3. Експериментально спостерігались два механізми проходження електронів через АПВ плівки при кімнатній температурі, а саме механізм Френкеля-Пула характерний для проходження електронів через об’єм при нижчих електричних полях (Е=(1-2)х10⁶В/см) та механізм Фаулера-Нордгейма в області високих електричних полів (Е>2х10⁶В/см) характерний для проходження електронів через енергетичні бар’єри на межі розділу Si-АПВ плівка. Виявлена немонотонна залежність низьковольтної електропровідності АПВ плівки від рівня легування азотом. Електропровідність плівок знаходилась в діапазоні (2х10^-15-2х10^-10) Ом^-1см^-1. Максимальна електропровідність спостерігалась при концентрації N₂=10% в газовій суміші при осадженні АПВ плівок.

4. Виявлені струми монополярної інжекції обмежені об’ємним зарядом в АПВ плівках підпалених при Т=450С, сильнолегованих азотом та легованих кремнієм. Вперше визначена концентрація пасток, які приймають участь у струмопереносі через АПВ плівку при кімнатній температурі та їх енергетичне положення в забороненій зоні АПВ плівок (Е_t=0,11-0,55еВ). Виявлена немонотонна залежність N_t від рівня легування азотом.

5. Вперше виявлено два пороги на спектральних залежностях внутрішньої фотоемісії зі структур з АПВ плівкою (Si-АПВ-Al). Визначені висоти енергетичних бар’єрів для електронів на границі розділу Si/sp³ фаза (Ф_b=1,0еВ), sp²-sp³ фаз (Ф_c=0,45-0,6еВ) та Si-sp² фаза (Ф_b=0,5-0,6еВ). Дані отримані методом внутрішньої фотоемісії добре узгоджені зі значенням Ф_b електрофізичного методу.

6. Дослідження фотоемісії електронів під дією вакуумного ультрафіолету з АПВ плівок та її зміну внаслідок дії різних зовнішніх факторів дало змогу вперше виявити, що: 1) на фотоемісійних спектрах вихідних АПВ плівок спостерігається різкий пік; 2) опромінення плівок електронами приводить до зсуву піку в область вищих по абсолютній величині енергій, який зростає з часом опромінення. Інтенсивність піків змінюється слабо; 3) опромінення вакуумним ультрафіолетом приводить до подальшого зсуву кривих енергорозподілу в високоенергетичну область. З часом опромінення високих піків зменшується, а їх ширина зростає; 4) низькотемпературний відпал при Т=100С АПВ плівок попередньо опромінених електронами і/або вакуумним УФ приводить до відновлення з часом відпалу вихідного енергорозподілу; 5) іонна імплантація водню після УФ опромінення приводить до різкого збільшення інтенсивності фотоемісії і зменшення ширини енергорозподілу; 6) імплантація аргоном з послідуючим відпалом при Т=450С приводить до відтворення вихідного енергорозподілу електронів. АПВ плівка стає нечутливою до впливу подальшого опромінення електронами і вакуумним УФ. Запропонована фізична модель для пояснення особливостей фотоемісії з АПВ плівок.

7. Визначені основні параметри ЕПЕ з кремнієвих вістрійних матриць: ефективна площа емісії та коефіцієнт підсилення електричного поля. Вперше показано, що легування кремнію воднем шляхом іонної імплантації приводить до суттєвого зменшення роботи виходу для Si(H) вістрійних емітерів Ф=2,28еВ.

8. Детально вивчені особливості ЕПЕ з плівок полікристалічного кремнію та пористого кремнію. Вперше запропоновано практичне використання плівок полікристалічного кремнію з розвинутою поверхнею на плоскій підкладці в якості катодів при ЕПЕ. Визначені основні параметри ЕПЕ з плівок полікристалічного кремнію. Показано, що ефективність ЕПЕ з плівок полі-Si при певних режимах формування мікровиступів є порівняльна з ефективностю емісії з Si вістрів.

9. В результаті детального дослідження електронної польової емісії з кремнієвих вістрів покритих нелегованими і легованими АПВ плівками виявлено ряд особливостей ЕПЕ, а саме: 1) нанесення АПВ плівки на кремнієві вістря, як правило, приводить до збільшення ефективності ЕПЕ (зменшення роботи виходу і збільшення емісійного струму); 2) спостерігається немонотонна залежність роботи виходу при ЕПЕ від вмісту sp² фази в АПВ плівці; 3) спостерігаються немонотонні залежності роботи виходу та порогової напруги від рівня легування плівки азотом; 4) спостерігається немонотонна залежність порогової напруги при ЕПЕ від рівня легування АПВ плівок кремнієм. Отримані експериментальні залежності пояснені в рамках запропонованої фізичної моделі поділу емісійного бар’єру, з урахування кластерної моделі та особливостей вбудови легуючих домішок в АПВ плівку.

10. Проведено дослідження особливостей ЕПЕ з ряду шаруватих нанорозмірних структур на основі Si з квантовими ямами, а саме: 1) структур Si-SiO₂-d-Si-SiO₂ з дельта легованими кремнієвими шарами; 2) шаруватих структур зі збагаченими Cs оксидними шарами; 3) нанокомпонентних плівок SiO₂(Si) з кремнієвими нанокластерами в матриці двоокису кремнію сформованих лазером; 4) плівок SiO_x з кластерами кремнію; 5) плівок SiO₂(Si) з кластерами кремнію в матриці SiO₂ сформованих термічним випаровуванням кремнію та послідуючим термічним відпалом; 6) нанокристалічних плівок кремнію nс-Si. Виявлено ділянки з від’ємною диференційною провідністю (піки) на I-V характеристиках емісійного струму. Для пояснення отриманих емісійних характеристик запропонована фізична модель польового емісійного катоду з резонансно-тунельною структурою з двостороннім бар’єром (SiO₂) та квантовою ямою (Si, CsO). Експериментально з I-V характеристик емісійного струму визначена відстань між резонансними енергетичними рівнями та проведено порівняння з теоретичними розрахунками.

11. Виявлено явище резонансного проходження струму при емісії з Si та GaAs вістрів, покритих надтонкими АПВ плівками. На I-V характеристиках емісійного струму спостерігаються ділянки з від’ємною диференційною провідністю. Дане явище пояснене в рамках запропонованої фізичної моделі польового емісійного катоду з одностороннім подвійним бар’єром. В області високих електричних полів відбувається утворення трикутної потенціальної ями на границі АПВ плівка–вакуум. Розмірне квантування приводить до утворення резонансних рівнів (зон) і прояву механізму резонансного тунелювання при ЕПЕ.

Таким чином, виявлені і описані особливості тунельної інжекції та емісії електронів через шаруваті структури з надтонкими діелектричними та напівпровідниковими шарами на кремнії. Зокрема встановлена немонотонна залежність тунельної інжекції від товщини плівки SiO₂ і резонансне проходження електронів при тунельній емісії через шаруваті структури з квантовими ямами. В сукупності результати дисертації є завершеною системою даних відносно тунельного переносу електронів в шаруватих структурах на кремнії.

Отримані в дисертації нові результати є важливим з точки зору їх наукового і практичного застосування. В наукових дослідженнях вони повинні враховуватись при розробці та вивченні особливостей тунельного переносу носіїв в нанорозмірних структурах, зокрема, в системах з надтонкими діелектричними та напівпровідниковими шарами. Результати дисертації являють собою основу формування нового наукового напрямку- тунельна інжекція та емісія електронів в шаруватих напівпровідникових структурах з нанорозмірними елементами на кремнії в області високих електричних полів, а також є однією із складових формування наукових напрямків – “тунельний переніс електронів в нанорозмірних структурах” і “електронна польова емісія з нанорозмірних структур”. На практиці отримані результати слід використовувати при розробці приладів твердотільної і вакуумної субмікронної мікроелектроніки та наноелектроніки.

Достовірність отриманих результатів забезпечується проведенням дослідження з використання добре апробованих експериментальних методик, послідовним і всебічним характером досліджень, ясною фізичною картиною вивчених явищ і закономірностей, які добре узгоджуються з теоретичними розрахунками і існуючими уявленнями про тунельне проходження електронів в твердому тілі і вакуумі. Основний експериментальний метод – інжекційних та емісійних вольт-амперних характеристик – є прямим методом дослідження проходження струму через структури. В усіх випадках перевірялась відтворюваність результатів, проводилась оцінка похибок експерименту.