Эффект переключения проводимости с памятью и фотоэлектрические явления в слоистых структурах на основе пленочных фторидов РЗЭ тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Шалимова, Маргарита Борисовна АВТОР
кандидат физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
Самара МЕСТО ЗАЩИТЫ
1997 ГОД ЗАЩИТЫ
   
01.04.10 КОД ВАК РФ
Автореферат по физике на тему «Эффект переключения проводимости с памятью и фотоэлектрические явления в слоистых структурах на основе пленочных фторидов РЗЭ»
 
Автореферат диссертации на тему "Эффект переключения проводимости с памятью и фотоэлектрические явления в слоистых структурах на основе пленочных фторидов РЗЭ"

На правах рукописи

ШАЛИМОВА Маргарита Борисовна

ЭФФЕКТ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ПРОВОДИМОСТИ С ПАМЯТЬЮ И ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В СЛОИСТЫХ СТРУКТУРАХ НА ОСНОВЕ ПЛЕНОЧНЫХ ФТОРИДОВ РЗЭ

01.04.10 - Физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Самара - 1997

Работа выполнена в Самарском государственном университете

Н аучный руководитель: кандидат физико-математических

наук, доцент В. А. Рожков

Официальные оппоненты: доктор физико - математических

наук В.А.Иванченко;

кандидат физико - математических наук В.М.Трещев.

Ведущая организация: Самарский государственный

аэрокосмический университет

Зашита состоится 21.10.1997г. в часов на заседании

диссертационного совета К063.94.05 в Самарском государственном университете (443011, г. Самара, ул. Акад. Павлова, 1).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного университета.

Автореферат разослан 18 сентября 1997 года

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат фиэ.- мат. наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время тонкопленочные диэлектрики и структуры на их основе нашли широкое применение в производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем. Тонкие диэлектрические пленки, наносимые различными методами на полупроводниковую подложку, используются для пассивации и изоляции элементов интегральных схем, просветления поверхности фотоэлектрических приборов и выполняют функции активных слоев в элементах памяти и переключателях. Сложные слоистые системы различного типа, в особенности системы МДП (металл - диэлектрик -полупроводник), приобрели в последнее время исключительную актуальность в связи с чрезвычайно широким их распространением з полупроводниковых приборах и физических исследованиях.

Особый интерес для полупроводниковой электроники представляет изучение новых физических явлений в слоистых структурах на основе диэлектриков и полупроводников. К числу таких явлений относится обнаруженный сравнительно недавно в некоторых тонкопленочных диэлектрических материалах эффект бистабильного переключения проводимости. Научный и практический интерес к исследованию данного явления обусловлен возможностью создания на его основе элементов постоянной репрограммируемой памяти, переключателей, других функциональных устройств. Несмотря на сравнительно большое число работ, посвященных эффекту переключения проводимости в различных материалах, многие вопросы, связанные с физикой данного явления, остаются невыясненными. В частности, отсутствуют либо противоречивы сведения о переходных процессах переключения, природе низкоомного состояния, практически не изучены механизмы токопереноса и процессы, протекающие при различных внешних воздействиях в тонкопленочных структурах, находящихся в низюэомном состоянии.

В этой связи актуальным представляется поиск новых перспективных материалов для создания активных слоев элементов памяти, обладающих высокими электрофизическими параметрами и характеристиками. Кроме того, исследование основных закономерностей процесса переключения в новых материалах расширяет объем сведений об этом явлении и способствует лучшему его пониманию.

К числу перспективных диэлектрических материалов для дискретных приборов полупроводниковой электроники и элементов микроэлектроники относятся ' фториды редкоземельных элементов (РЗЭ), которые характеризуются высокими значениями диэлектрической проницаемости и удельного сопротивления, обладают химической,

термической и радиационной стойкостью. Эти материалы могут использоваться в пленочных конденсаторах и в качестве подзатворных диэлектриков в полевых транзисторах, в роли защитных покрытий для лазерной оптики и оптических волноводов. Важной особенностью структур с пленками фторидов РЗЭ является обнаруженный нами эффект обратимого переключения проводимости с памятью. Структуры на основе этих материалов по таким своим параметрам, как кратность изменения сопротивления при переключении (106 - Ю7), время переключения (доли мкс), потребляемая энергия при переключении (~ ш-г Дж), радиационная стойкость на несколько порядков превосходят известные аналоги. Актуальность исследования явления электрического переключения проводимости с памятью в структурах с пленками фторидов РЗЭ определяется как самой логикой развития знаний о свойствах пленок фторидов РЗЭ, так и требованием практического использования этих пленок в различных устройствах. С этой точки зрения представляется важным получение информации об электрических, фотоэлектрических и других свойствах структур с тонюопленочными фторидами РЗЭ в низкоомном состоянии, что позволяет указать перспективы применения как самого явления переключения, так и сопутствующих ему эффектов.

Другой актуальной задачей полупроводниковой электроники является поиск и исследование оптимальных материалов для просветления и пассивации поверхности фотоэлектрических приборов. Возможность оптимизации оптических и рекомбин ационных характеристик поверхности путем нанесения тонкой диэлектрической пленки на полупроводниковую подложку имеет большое прикладное значение, так как до сих пор величина КПД солнечных элементов значительно ниже его теоретически возможного уровня. Среди соединений, перспективных для этих целей, выделяются фториды РЗЭ, которые изготавливаются при низкой температуре, обладают высокой прозрачностью в широкой области спектра и хорошей адгезией к поверхности полупроводника. Однако характеристики пленок фторидов РЗЭ и их просветляющие и пассивирующие свойства к моменту постановки данной работы не исследовались.

Целью настоящей работы является изучение явления электрического переключения проводимости с памятью в МДП - и МДМ - структурах на основе фторидов некоторых РЗЭ, исследование оптических и фотоэлектрических свойств структур с пленочными покрытиями из фторидов лантана, церия, самария, диспрозия, эрбия, неодима, гадолиния, тербия, иттрия, а таюке возможности использования пленок фторидов РЗЭ в качестве просветляющих слоев кремниевых фотоэлектрических приборов.

Научная новизна работы. Впервые исследованы основные закономерности эффекта электрического и термического переключения проводимости с памятью, обнаруженного в слоистых структурах на основе пленочных фторидов церия, диспрозия, эрбия. Изучена кинетика переключения проводимости из высокоомного состояния в низкоомное и обратно, исследована зависимость электрических параметров переключения от температуры окружающей среды, толщины диэлектрика, полярности приложенного напряжения. Предложен экспериментально обоснованный механизм явления электрического переключения проводимости в исследованных структурах из высокоомного состояния в низкоомное и обратно, сопровождаемого долговременной памятью.

Проведено целенаправленное исследование электрофизических и фотоэлектрических свойств МДП - структур с пленками фторидов РЗЭ в низксоином состоянии. На основе теоретического анализа низюэомного состояния МДП - структур с фторидами РЗЭ показано, что характеристики низюоомного состояния описываются моделью структуры металл -туннельный диэлектрик - полупроводник. Определены особенности механизмов токопереноса в МДП - структурах в ниэкоомном состоянии, обусловленные присутствием туннельно тонкого слоя диэлектрика на границе с полупроводником. Установлено, что в структурах, находящихся в низкоомном состоянии, при больших напряжениях в приповерхностной области кремния реализуется режим лавинного умножения. Экспериментально обнаружено и теоретически подтверждено, что в зависимости от состояния поверхности кремния в МДП - структурах после переключения в низкоомное состояние может устанавливаться режим инжекционнопз усиления фототока или эффект накопления неосновных носителей заряда на поверхности полупроводника.

Проведено комплексное исследование оптических свойств пленочных фторидов РЗЭ, нанесенных на различные подложки. Выяснено влияние диэлектрических покрытий из фторидов РЗЭ на изменение оптических и фотоэлектрических характеристик кремниевых п+ - р - р+ структур, обусловленное просветляющим и пассивирующим действием данных пленок.

Практическая ценность работы. Результаты работы могут использоваться при разработке приборов с применением диэлектрических пленок из фторидов редкоземельных элементов. Обнаруженный в МДП -структурах на основе пленок фторидов редкоземельных элементов эффект бистабильного переключения проводимости с памятью и теплового переключения открывает возможности для создания на основе пленок фторидов редкоземельных металлов элементов постоянной

репрограммируемой памяти с малыми энергиями переключения и высоким быстродействием (Рожков В.А., Шалимова М.Б., Романенюо Н.Н. Элемент памяти. АС № 1585834 15.04.90 г. Приоритет от 1.11.88 г. по заявке № 4601805).

Исследованный эффект внутреннего усиления фототока, обнаруженный в МДП - структурах в низюэомном состоянии, перспективен для разработки высокочувствительных фотоприемниюов с широким диапазоном спектральной чувствительности.

Использование пленок фторидов РЗЭ в качестве диэлектрических покрытий позволяет уменьшить оптические и рекомбинационные потери в кремниевых фотоэлектрических приборах, увеличить фототок короткого замыкания полупроводниковых фотопреобразователей более чем на 50 % и создать эффективные фоточувствительные приборы.

На защиту выносятся:

1. Результаты экспериментального исследования эффекта электрического переключения проводимости с памятью в МДП и МДМ структурах с пленочными фторидами РЗЭ. Закономерности эффекта термического переключения проводимости в данных структурах.

2. Физическая модель низкоомногэ состояния МДП - структур с фторидами РЗЭ.

3. Закономерности усиления фототока и зависимость величины фоточувстэительности кремниевых МДП - структур с фторидами РЗЭ от состояния поверхности кремния после переключения.

4. Оптические и фотоэлектрические свойства кремниевых фоточувствительных структур с просветляющими слоями из пленочных фторидов РЗЭ.

•Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Всесоюзной научной конференции "Состояние и перспективы развития микроэлектронной техники" (Минск, 1985 г.), XII Всесоюзной научной конференции по микроэлектронике (Тбилиси, 1987 г.), IV Всесоюзной конференции по физике и химии редкоземельных полупроводников (Новосибирск, 1987 г.), Всесоюзной конференции по физике диэлектриков. Секция "Электрофизика слоистых структур", (Томск, 1988 г.), IXВсесоюзном симпозиуме "Электронные процессы на поверхности и в тонких слоях полупроводников" (Новосибирск, 1988 г.), V Всесоюзной конференции по физике и химии редкоземельных полупроводников (Саратов, 1990 г.), Российской научно-технич. конференции по физике диэлектриков с международным участием "Диэлекгрики-93" (Санкт-Петербург, 1993 К), конференции "Проблемы и прикладные вопросы физики" (Саранск, 1993 г.), Российской научно-технич. конф. Новые

материалы и технологии, (г. Москва, 1994 г.), The Dielectrics Society 28th Annual Conference (Darwin College, University of Kent at Canterbury, 1997), Международной научно - технич. конф. по физике твердых диэлектриков "Диэлектрики - 97" (Санкт - Петербург, 1997 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 21 печатная работа, s тем числе 8 статей, 1 авторское свидетельство, 12 тезисов докладов на научно-технических конференциях и семинарах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы из 155 наименований, содержит 65 рисунков, 15 таблиц. Общий объем диссертации составляет 188 стр.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и основные задачи исследований, указаны новизна, научная и практическая важность результатов работы, приведены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава носит обзорный характер. В этой главе описаны закономерности явления переключения в тонких диэлектрических пленках и структурах на их основе. Рассмотрены основные механизмы переключения проводимости с памятью и порогового переключения.

Предложенные модели переключения подразделяются на два основных класса в зависимости от того, что является причиной возникновения низкоомного состояния - термический джоулев нагрев или неравновесное увеличение концентрации носителей заряда. Возникновение и удерживание проводящего состояния при пороговом переключении представляется преимущественно электронными процессами: ударной ионизацией, двойной инжекцией через контакты, эмиссией Пула - Френкеля из ловушек. Формирование низкоомного состояния, сохраняющегося при отключении питания, в большинстве моделей объясняется фазовым переходом в диэлектрике, транспортом материала электродов и других процессов, вызванных совместным действием электронных и термических эффектов. Рассмотрены вопросы шнурования тока в переключающем материале как при пороговом переключении, так и при переключении проводимости с памятью.

Анализ известных моделей переключения показывает, что строгая теория бистабильного переключения проводимости, низкоомного состояния и процесса реверсивного переключения ещё не создана. Это относится даже к моделям, описывающим наиболее изученный эффект переключения в тонкопленочных аморфных халькогенидных материалах. Работы,

посвященные изучению эффекта переключения в других веществах, носят ещё более противоречивый характер по анализу механизма, причин возникновения и условий существования переключения с памятью. Данные обстоятельства вызывают необходимость более глубокого изучения причин и условий реализации явления переключения в пленочных структурах.

Во второй части этой главы проведен сравнительный анализ опубликованных экспериментальных данных по просветляющим и пассивирующим свойствам различных тонюэпленочных покрытий, нанесенных на поверхность кремния. Несмотря на интенсивные исследования в этой области, по-прежнему продолжается поиск диэлектрических покрытий с оптимальными параметрами и простой технологией изготовления.

В последнем параграфе первой главы приведен краткий обзор физико-химических свойств диэлектрических пленок фторидов РЗЭ и описаны основные области их применения.

Вторая глава посвящена описанию технологии изготовления экспериментальных образцов, методики измерения и измерительных установок. В качестве подложек для МДП - структур использовались пластины монокристалличесюого кремния п- или р- типа марки КЭФ-5 или КДБ-4,5 соответственно. Диэлектрические пленки получались методом термического распыления порошкообразных фторидов в вакууме при давлении ~!0-5 Тор из молибденовой лодочга-г на установка типа ВУП-5.

Исследование электрофизических свойств МДП - структур в высокоомном и низкоомном состоянии проводилось с помощью методов вольтемксстных и вольтамперных характеристик. Кинетические характеристики переключения из высоюэомного состояния в низкоомное и обратно изучались в режиме подачи на структуру одиночного прямоугольного импульса напряжения. Фотоэлектрические измерения МДП - структур в низкоомном состоянии проводились как а режиме стационарной подсветки, так и при освещении структур импульсами монохроматического излучения различной длительности с длиной волны равной 0,93 мкм. Данные о просветляющих и пассивирующих свойствах пленочных покрытий из фторидов РЗЭ выявлялись путем анализа экспериментальных зависимостей фототоков короткого замыкания кремниевой п+-р-р+ структуры, спектральных зависимостей пропускания света пленок фторидов РЗЭ, спектральных зависимостей коэффициента отражения света от структуры пленка фторида РЗЭ - кремний.

Третья глава посвящена описанию явлению переключения проводимости с памятью в МДП- и МДМ - структурах на основе СеРз, ОуРз, ЕгРз. Как показали исследования, МДП- структуры могут

находиться в двух устойчивых состояниях с существенно различными значениями сопротивления и В АХ. Изготовленные образцы находятся в состоянии с высоким сопротивлением (2 * 4)-10п Ом, пока электрическое напряжение, полярность которого соответствует обеднению поверхности полупроводника основными носителями заряда, не превысит некоторое пороговое значение Уп = 5 -г 200 В. При превышении порогового напряжения происходит резкое уменьшение сопротивления образца и переключение его в низкоомное состояние с сопротивлением 104 + 105 Ом. Переключение структур в исходное, высоюоомное состояние осуществляется при противоположной полярности напряжения, когда величина тока через образец достигает значения 100 -г 600 мкА.

Структуры воспроизводимо и многократно (более 10* раз) переключаются из одного состояния в другое и обратно как на постоянном, так и импульсном напряжении, причем оба состояния сохраняются длительное время (более 30 суток) при комнатной температуре и выключенном напряжении.

МДМ - структуры в исходном состоянии также имели высокое сопротивление ~ Ю7 Ом; сопротивление структур в низкоомном состоянии составляло единицы Ом. Переключение МДМ - структур из вьгсокооыного состояния в низкоомное и обратно не зависело от полярности приложенного напряжения, а отличалось лишь величинами тока и напряжения прямого и обратного переключения.

Как показали исследования, ВАХ МДП - структур в диэлектрическом состоянии практически не зависели от полярности приложенного напряжения и хорошо спрямлялись в координатах 1п7 - У1'2, характерных для механизма Пула - Френкеля. Температурная зависимость тока данных структур в диэлектрическом состоянии характеризуется энергией активации ~ 0,5 -г 0,8 эВ. В низкоомном состоянии исследованные МДП - структуры обладали униполярной ВАХ с коэффициентом выпрямления К = 10 -г 104. В этом случае температурная энергия активации проводимости составляла 0,03 0,1 эВ.

Исследования зависимости величины напряженности электрического поля Епот толщины пленки диэлектрика при переключении структур из высокоомного в низкоомное состояние позволили установить, что при толщине диэлектрического слоя с{ > 0,2 мкм Еп ~ 106 В/см, при уменьшении толщины диэлектрика напряженность электрического поля увеличивается по закону Еп~ с1~Установлено, что величина порогового напряжения Уп возрастает линейно с увеличением толщины пленки фторида РЗЭ от 0,2 мкм до 1,4 мкм. Обратное переключение из ниэкоомного

э высокоомное состояние характеризуется независимостью напряжения переключения от толщины диэлектрического слоя.

Проведенные исследования показали, что напряжение переключения из высокоомнопэ в низкоомнсе состояние сильно уменьшается при увеличении температуры окружающей среды и аппроксимируется линейной зависимостью. При достаточно низкой температуре ~ 200 220 К в структурах осуществлялся только режим моностабильного переключения, при котором низкоомнсе состояние не сохранялось после выключения питания. В последнем случае возникают релаксационные осцилляции тока и напряжения при достижении порогового напряжения переключения.

Обнаружено, что переключение структуры из низюоомного в высокоомное состояние может быть произведено термическим способом как при приложении напряжения, так и при прогреве образцов без питающего напряжения. При этом термическое переключение проводимости происходит при меньших значениях электрического напряжения по сравнению с электрическим переключением и наблюдается при обеих полярностях питающего напряжения при прогреве образца до температуры 50 н- 100° С. Характерно увеличение температуры переключения из низкоомного в высокоомное состояние с увеличением напряжения питания при полярности, соответствующей обеднению поверхности полупроводника и уменьшение температуры переключения при увеличении напряжения питания в случае полярности электрического напряжения, обогащающей поверхность полупроводника основными носителями заряда. Исследования показали, что если внешнее напряжение не подавалось на образец, то переключение в высокоомное состояние происходило при температуре ~ 120 -г 160°С.

Установлено, что для реализации переключения структуры из высокоомнопэ в низкоомное состояние пороговое напряжение должно подаваться на структуру в течение определенного периода времени т. В этом промежутке времени т наблюдается характерное время задержки г? и собственное время переключения тп. Показано, что время задержки Тз уменьшается с увеличением амплитуды напряжения, а собственное время переключения тп практически не зависит от величины прикладываемого импульса напряжения и составляет 0,4 и 0,8 мюс для переключения образца в проводящее состояние и обратно соответственно.

Исследования показали, что вольтемксстные характеристики в высоюоомном состоянии аналогичны по виду типичным высокочастотным вольтфарадным зависимостям МДП - структур с характерным насыщением емкости в области напряжений, соответствующих аккумуляции и инверсии поверхности полупроводника. После переключения в низкоомное состояние

вольтемкостные характеристики некоторых структур были подобны характеристикам барьера Шоттки и представляли область неравновесного обеднения при обратном смещении. Для большей части структур область неравновесного обеднения формировалась при обратном смещении У^ 1 В, что связано с возникновением слоя частичной инверсии на поверхности полупроводника. Разница в величинах емкости структуры в области аккумуляции в низкоомном и высокоомном состояниях не превышала 15 пФ, что указывает на локальный характер изменений, происходящих при переключении структуры в низюсомное состояние. Креме того, экспериментальные данные показывают, что от полупроводниковой подложки проводящий канал в пленке фторида РЗЭ отделяется туннельно -тонким диэлектрическим слоем.

Проведенные оценки радиуса канала проводимости г по сопротивлению растекания полупроводниковой подложки показали, что обычными в рассматриваемом случае являются значения г ~ 1 -г 5 мкм. Исследованием электрических свойств МДМ - структур с фторидами РЗЭ в низкоомном состоянии было установлено, что канал проводимости имеет положительный температурный коэффициент сопротивления. Этот факт, а также низкое значение сопротивления МДМ - структуры в низкоомном состоянии дает основание заключить, что проводящий канал в основном состоит из металлической фазы.

Четвертая глава посвящена исследованию электрофизических характеристик ниэкоомного состояния. В результате проведенных исследований было показано, что низкоомное состояние МДП - структуры с фторидом РЗЭ удовлетворительно описывается моделью структуры металл -туннельно тонкий диэлектрик - полупроводник.

В случае, когда оценочная толщина слоя ультратонкого диэлектрика после переключения в проводящее состояние была порядка

10 А, экспериментальные обратные ветви ВАХ МДП - структур с фторидами РЗЭ в низкоомном состоянии описывались зависимостью:

где А** - модифицированная постоянная Ричардсона; - коэффициент туннельной прозрачности электронов или дырок; 7 - абсолютная температура; ц - заряд электрона; к - постоянная Больцмана;

ф =Е — Е ■ разность между уровнем Ферми в металле и положением края "Ь Вп СЗ

зоны проводимости на поверхности полупроводника; А - площадь структуры.

Исследования показали, что в рассматриваемом случае на прямой ветви ВАХ МДП - структур а низкоомном состоянии выделяются три характерные области при начальном изгибе зон <р3°, соответствующем обеднению поверхности полупроводника основными носителями заряда.

1) Область ограничения тока через структуру полупроводником, когда напряжение, подаваемое на структуру V < <р°. При этом ток через структуру определяется процессами надбарьерной эмиссии основных носителей из полупроводника в металл с экспоненциальной зависимостью тока от приложенного напряжения согласно уравнению:

где л - коэффициент неидеальности.

2) Область ограничения тока туннельной проводимостью диэлектрика в режиме <р2° < V < 1,2 В. Прямые ветви ВАХ в этой области определяются доминирующим прямым туннелированием основных носителей из полупроводника в металл и представляются зависимостью вида

у« В{У-<г>°)2, (3)

где В - постоянная.

3) При V £ 2 В прямой ток в основном ограничивается сопротивлением растекания кремниевой подложки.

В работе получены экспериментальные результаты, отражающие влияние толщины диэлектрика на величину поверхностного потенциала <р$. Показано, что при увеличении толщины туннельного диэлектрика в МДП - структурах с фторидом церия в низкоомном состоянии значение <р2° уменьшается. Максимальное значение поверхностного потенциала на кремнии ^составило для структур с п - типом кремния <р2°„ = 0,6 В, а для структур с р - типом кремния ф2°р = 0,55 В.

При изучении механизма тоюэпрохождения на постоянном сигнале в МДП - структурах с фторидом церия в низкоомном состоянии в области сильных полей установлено явление лавинного пробоя в структурах с

характеристиками, близкими к диоду Шоттки. Экспериментальные значения напряжения лавинного пробоя были ниже, чем ожидаемые теоретические для резкого р-п перехода и для структур с п-типом кремния составили 160 -г 170 В, а для структур с р-типом кремния - 40 4- 60 В.

В данной главе также изложены результаты исследования фотоэлектрических свойств МДП - структур с пленками СеЕз, ЮуРз и ЕгРз в низкосмном состоянии. Из спектральных зависимостей фототока короткого замыкания исследуемых структур было определено, что длинноволновая граница фоточувствительнссти, определяемая глубиной собирания фотоносителей, для структур на основе кремния р - типа составляла 1200 нм, а для структур на основе кремния п - типа - 1000^-1100 нм. Коротковолновый спад фототока происходил при 380-г430 нм. Для МДП - структур с фторидом эрбия на основе кремния р - типа спада фототока короткого замыкания в коротковолновой области спектра не наблюдалось. Это связано с подавлением поверхностной рекомбинации, что указывает на пассивирующие свойства пленки фторида эрбия. Установлено, что диапазон чувствительности всех МДП - структур с фторидами РЗЭ расширялся в синюю область спектра при приложении обратного смещения.

Как показали исследования, В АХ и вольтфарадные характеристики МДП - структур с фторидами РЗЭ в низкосмном состоянии при стационарной подсветке обнаруживают два участка при обратном смещении. На начальном участке при росте обратного смещения происходит формирование слоя частичной инверсии и практически все приложенное напряжение падает на слое ультратонкого диэлектрика. Экспериментально показано, что критическое напряжение У**, при котором происходит насыщение поверхностной концентрации неосновных носителей и фототока, увеличивается при возрастании интенсивности излучения и при увеличении сопротивления нагрузки.

На участке насыщения поверхностной концентрации неосновных носителей (У> У"7) увеличение экранирования внешнего поля за счет роста заряда инверсионного слоя не происходит и рост напряжения приводит к распространению ОПЗ в объем полупроводника. При этом на вольтфарадных характеристиках наблюдается участок неравновесного обеднения, а на вольтамперных - участок насыщения фототока.

Исследование формы кинетики фотоответа в МДП - структурах с фторидами РЗЭ в низкоомном состоянии показало, что экспериментальные кинетические характеристики фототока хорошо аппроксимируются гиперболическими зависимостями следующего вида:

]г{1)=д1М 1

у, (0 =д1М--1

где (4) соответствует включению освещения в момент /=0, а (5) -выключению освещения в момент /=0; М = (/п + •1р)№р - коэффициент усиления фототока для структур с подложкой п - типа; I - поток электронно - дырочных пар, генерированных светом в единицу времени; тв -характерное время релаксации,, определяемое выражением:

_ 4£д(Я„)1/2 (6)

- 7== Л7Г

где - длина экранирования Дебая; пд - концентрация электронов в объеме полупроводника; Ур - тепловая скорость дырок.

Детальное исследование кинетических характеристик показало, что на осциллограммах фотоответа при включении и выключении освещения можно выделить участки емкостного и омичесюэго тока. Емкостный ток устанавливается за время, существенно меньшее времени г^, и определяется наибольшим из времен пролета неосновных носителей в ОПЗ или КС.

Полученные экспериментальные результаты указывают на определяющее влияние величины начального изгиба зон на поверхности полупроводника на форму и величину фотоответа МДП - структур с фторидами РЗЭ в низкоомном состоянии. При начальных обедняющих или инверсионных изгибах зон на поверхности полупроводника фототок насыщения равнялся току фотогенерации неосновных носителей заряда, что обусловлено полным собиранием фотоносителей и реализацией эффекта накопления. Исследования показали, что для структур с начальным обогащающим или слабым обедняющим изгибом зон может проявляться

режим усиления фототока. Максимальное значение коэффициента усиления фототока при этом составило Мр = 4-9 и М„ = 34 для структур на основе кремнияр-ип • типа соответственно. Значения коэффициентов туннельной прозрачности, определенные из кинетических характеристик фотоответа, лежали в пределах Ъп = 2,7-Ю » * 2,2-Ю 8; Ър = 1,7-Ю-10* 4,7-Ю"8.

В заключительной части четвертой главы списывается модель переключения проводимости с памятью в кремниевых МДП - структурах с фторидами РЗЭ, разработанная на основании проведенных исследований. Анализ экспериментальных результатов позволяет сделать вывод об электротермической природе явления переключения в исследованных структурах. Проведенные исследования показывают, что если термический нагрев в процессе переключения ослаблен путем уменьшения температуры окружающей среды или изменения геометрических параметров образца, то образец обычно переключается при более высоких полях и плотностях тока. О тепловой природе обратного переключения из проводящего в диэлектрическое состояние свидетельствует наблюдаемый в структурах эффект термического переключения проводимости.

Пятая глава посвящена исследованию оптических и фотоэлектрических свойств пленочных структур с фторидами РЗЭ. В первом разделе данной главы представлены результаты комплексного изучения оптических свойств фторидов РЗЭ. Установлено, что пленки фторидов РЗЭ обладают высокой прозрачностью в спектральном диапазоне от 200 до 1100 нм, что охватывает всю область спектральной чувствительности кремниевого солнечного элемента. Пропускание света для фторидных пленок в максимумах превышает 99,5 %. Слабое поглощение излучения вплоть до длины волны равной 190 нм свидетельствует о большой ширине запрещенной зоны (> 6,5 эВ) исследуемых фторидов РЗЭ. Изучение коэффициента отражения от поверхности кремния и от системы пленка фторида РЗЭ - кремний показало, что для систем с пленками фторидов РЗЭ наблюдаются значительно более низкие величины спектрального коэффициента отражения излучения К структуры. Минимальные величины К для кремниевых подложек с различными пленками редкоземельных фторидов лежали в пределах 2,0 * 5,2 %, а значения коэффициента отражения излучения от поверхности кремния составляли 34,7 -г 37 %. Рассчитанные из спектральных зависимостей коэффициента отражения величины показателя преломления пленок фторидов РЗЭ имели значения 1,51 -г 1,64, что согласуется с результатами, полученными другими авторами.

Во втором разделе пятой главы рассматривается влияние пленочных покрытий из фторидов РЗЭ на величину фототока короткого замыкания кремниевых п+ - р - р+ структур. Просветляющий слой создавался на

половине площади структуры со стороны п+- области, чтобы можно было сравнить фотоответ от чистой и покрытой слоем фторида РЗЭ поверхности кремния. Исследовались спектральные характеристики фототока короткого замыкания данных структур при освещении их монохроматическим излучением в области длин волн от 400 до ¡200 нм. Для получения максимального просветляющего эффекта для излучения с длиной волны

600 нм толщина наносимых слоев фторидов РЗЭ составляла ~ 750 А .

Из спектральных характеристик фототока короткого замыкания рассчитывалось значение относительного увеличения фототока при нанесении пленки. Как показали исследования, наибольшая величина просветляющего эффекта наблюдалась для слоев из фторидов неодима и эрбия, использование которых позволило увеличить фототок более чем на 50 %. Интегральная чувствительность фототока в области длин волн 400-П000 нм фотоэлектрических преобразователей с пленками исследуемых фторидов РЗЭ увеличивается на 26^42 %. Анализ показывает, что наблюдаемое увеличение спектральной чувствительности исследуемых кремниевых структур при использовании пленочного покрытия из фторида неодима или эрбия более чем на 8 "А превышает ожидаемые значения только за счет эффекта просветления. Данный результат, очевидно, связан с пассивирующим действием пленки фторида РЗЭ, применение которой уменьшает скорость рекомбинации фотоносителей заряда на поверхности кремния.

В заключении приведены основные результаты и выводы. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Обнаружен и исследован эффект электрического переключения проводимости с памятью в структурах с пленочными фторидами РЗЭ.

2. Установлено, что в высокоомнсм состоянии МДП - структуры имеют сопротивление (2*4)-10й Ом, а их электропроводность удовлетворительно описывается механизмом Пула - Френкеля.

3. Определены значения термической энергии активации структур в высокоомном и низкоомном состояниях, которые составили 0,5 + 0,8 эВ и 0,03 -г- 0,1 эВ соответственно.

4. Установлены зависимости характеристик переключения от параметров структуры и внешних условий. Выяснено одновременное участие высоюополевых и тепловых процессов в явлении переключения, что указывает на его электротермическую природу.

5. Методом вольтемкостных и вольтамперных исследований показано, что низкоомное состояние МДП - структур с фторидами РЗЭ

удовлетворительно описывается моделью структуры металл - туннельно тонкий диэлектрик - полупроводник.

6. Установлено, что в низкоомном состоянии МДП - структуры имеют сопротивление 1СИ Ом -ь 10s Ом. Изучены основные механизмы тоюопрохождения в МДП - структурах в темноте и при освещении от различных источников на различных участках ВАХ. Определено влияние поверхностных барьеров в кремнии на электропроводность указанных структур.

7. Обнаружено, что в кремниевых МДП - структурах с фторидами РЗЭ в низкоомном состоянии реализуется режим инжекционного усиления фототока при начальных обогащающих или слабых обедняющих поверхностных изгибах энергетических зон с коэффициентом усиления фототока равным М = 2-7-49.

8. Установлено, что нанесение просветляющей пленки из фторида РЗЭ на поверхность кремния дает возможность снизить коэффициент отражения монохроматического света с 34,7-^37 % до 2-г5 %.

9. Показано, что увеличение спектральной чувствительности кремниевых структур при нанесении тонких пленок фторидов РЗЭ вызвано просветляющим и пассивирующим действием пленочного покрытия.

10. На основе проведенных исследований указаны возможности использования пленок фторидов РЗЭ и МДП - структур на их основе в качестве электрических и тепловых переключателей, элементов репрограммируемой постоянной памяти для записи и хранения информации и др.

Показана возможность использования МДП - структур с фторидами РЗЭ в низкоомном состоянии в качестве высокочувствительных фотодетекторов с широким диапазоном спектральной чувствительности.

Проведенные исследования позволили предложить и экспериментально обосновать возможность использования пленок фторидов РЗЭ в качестве просветляющих и пассивирующих покрытий кремниевых фотоэлектрических приборов.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Романенко H.H., Шалимова М.Б. Кремниевые МДП-структуры на основе диэлектрических пленок фторида диспрозия // Тезисы докл. Всесоюзн. научн. юэнф. "Состояние и перспективы развития микроэлектронной техники". 4.II. - Минск.-1985.-С. 246.

2. Романенко H.H., Шалимова М.Б. Электрофизические свойства пленок фторида диспрозия и МДП-структур на их основе // Тезисы докл. Г/

Всесоюзной конференции по физике и химии редкоземельных полупроводников. Новосибирск.-1987.-С. 201.

3. Романенко H.H., Шалимова М.Б. Свойства МДП- и МДМ- структур с диэлектрическими пленками фторида диспрозия // Тезисы докладов XII Всесоюзной научной конференции по микроэлектронике. Ч.Ш. Тбилиси,-1987. - С. 117 - 118.

4. Шалимова М.Б., Романенко H.H. Свойства кремниевых МДП-струкгур с диэлектрической пленкой фторида диспрозия // Тезисы докладов IX Всесоюзного симпозиума "Электронные процессы на поверхности и в тонких слоях полупроводников". Ч.II. Новосибирск,- 1988. - С. 192.

5. Шалимова М.Б., Романенко H.H., Рожков В.А. Исследование эффекта бистабильного переключения проводимости в структурах с фторидом диспрозия // Тезисы Всесоюзной конференции по физике диэлектриков. Сер. 6. Материалы,- Вып 4(280). Секц. "Электрофизика слоистых структур". Томск.-1988. - С. 94.

6. Шалимова М.Б., Романенко H.H., Рожков В.А. Исследование эффекта бистабильного переключения проводимости в структурах с фторидом диспрозия //Тезисы V Всесоюзн. конф. по физике и химии редкоземельных полупроводников. - Изд. СГУ: 1990. 29-31 мая 1990. - С. 90.

7. Рожков В.А., Шалимова М.Б., Романенко H.H. Элемент памяти. АС №1585834 15.04.90 г. Приоритет от 1.11.88 г. по заявке №4601805.

8. Рожков В.А., Шалимова М.Б. Электрическое переключение проводимости с памятью в кремниевых МДП-структурах с диэлектриком из фторида эрбия//ФТП.- 1993.-Т.27, МгЗ.-С. 438-445.

9. Рожкхзв В.А., Шалимова М.Б. Эффект электрического переключения проводимости с памятью в структуре AJ-DyF3-Si // Письма в ЖТФ. -1992. -Т. 18, Вып. 5,-С. 74-77.

Ю.Аношин Ю.А., Петров А.И., Рожков В.А., Романенко H.H., Шалимова М.Б. Просветляющие покрытия из оксидов редкоземельных элементов для кремниевых фотоэлектрических приборов // Письма в ЖТФ,- 1992.-Т.18, Вып. 10. -С. 54-58.

11. Аношин Ю.А., Петров А.И., Рожков В.А., Романенко H.H., Шалимова М.Б. Просветление и пассивация кремниевых фотоэлектрических преобразователей пленками оксидов редкоземельных элементов. //Гелиотехника.- 1992. -№5.-С. 13-16.

12. Рожков В.А., Петров А.И., Шалимова М.Б. Просветляющие покрытия из фторидов эрбия, неодима и гадолиния // Письма в ЖТФ.-1993.-Т. 19, Вып. 19,-С. 10-14.

13. Рожков В.А., Романенко H.H., Шалимова М.Б. Переключение проводимости с памятью а кремниевых МДП-структурах с фторидами

РЗЭ // Тезисы докл. конф. "Проблемы и прикладные вопросы физики". Саранск.- 1993. - С. 66.

14. Рожков В.А., Романенко Н.Н., Шалимова М.Б. Переключение проводимости с памятью в структурах с пленочными фторидами РЗЭ // Тезисы докл. Российской научно-технической конф. по физике диэлектриков с международным участием "Диэлектрики-93". Ч. 2. Санкт-Петербург.-1993.-С. 128-129.

15. Рожков В А., Петров А.И., Романенко Н.Н., Шалимова МБ. Просветляющие и пассивирующие свойства пленок оксидов и фторидов редкоземельных элементов // Тезисы докл. Российской научно-технич. конф. по физиюг диэлектриков с международным участием "Диэлектрики-93". 4.2. -Санкт-Петербург.- 1993. - С. 132-133.

16. Рожков В.А., Петров А.И., Шалимова М.Б. Просветляющие покрытая из фторидов иттрия, церия и тербия для кремниевых фотоэлектрических приборов. //Письма в ЖТФ. -1994.-Т.20, Вып. 12. - С. 43-47.

17. Рожков В.А., Петров А.И., Шалимова МБ. Просветляющие покрытия из фторидов лантана, самария и диспрозия для кремниевых фотоэлектрических приборов // Известия ВУЗов. Физика. - 1994,- № 4. -С. 7-10.

Ш.Петров А.И., Рожков В.А., Шалимова М.Б., Гончаров В.П. Просветляющие покрытия для кремниевых фотоэлектрических приборов на основе оксидов и фторидов редкоземельных элементов// Тезисы докл. Росс, научно-технич. конф. Новые материалы и технологии. Направление: Технологические процессы и материалы приборостоения и микроэлектроники.- М: 1994. 3-4 ноября 1994 г. - С. 54.

19.Аношин Ю.А., Петров А.И., Рожков В .А., Шалимова М.Б. Просветляющие и пассивирующие свойства пленок оксидов и фторидов редкоземельных элементов //Журнал технической физики. -1994,- Т. 64, №10,-С. 118-123.

20.R.ozhkov V.A., Shalimova М.В. The conduction bistable switching effect in the structure with rare earth fluorides // The Dielectrics Society 28,h Annual Conférence. Charges in Solid Dielectrics. - Darwin College, University of Kent at Canterbury. 7 - 9April 1997. - P. 3.16.

21. Рожков В.A., Шалимова М.Б. Эффект переключения проводимости с памятью в слоистых структурах с фторидами РЗЭ // Тезисы докл. Международной научно - технич. конф. по физике твердых диэлектриков "Диэлектрики - 97". - Санкт - Петербург: 1997. 24 - 27 июня 1997 г. -С. 59-61.

Подписано к печати 15.09. 97. Формат 60x84 1/16. Объем 1,0 п. л. Тираж 100 экз. Бумага офсетная.Печать офсетная. Издательство "Самарский университет". 443011, Самара, ул. Акад. Павлова, 1