Исследование структурных и электрических свойств композитных металл-диэлектрических пленок с металлическими гранулами нанометровых размеров тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Ь> VI

на правах рукописи

ХОРЕНКО Виктор Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНЫХ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

КОМПОЗИТНЫХ МЕТАЛЛ-ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛЕНОК С МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ГРАНУЛАМИ НАНОМЕТРОВЫХ РАЗМЕРОВ.

Специальность: 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

С.Петербург 1998

Работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственном Техническом Университете.

Научные руководители:

доктор физико-математических наук, профессор

доктор физико-математических наук, профессор

В.И. Дудкин.

С.А. Гуревич

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук В.И. Иванов-Омский кандидат физико-математических наук А. О. Гол} бок

Ведущая организация:

Санкт-Петербургский Государственный Электротехнический Университет.

Зашита состоится д^г/Г^- 1998г. в IС часов на заседании диссертационного совета К 063.38.16 в Санкт-Петербургском Государственном Техническом Университете по адресу: 195251, С.Петербург, Политехническая ул. 29, II уч.корпус, ауд.265.

Отзывы на автореферат диссертащш в двух экземплярах, заверенные печатью просим направлять по вышеуказанному адресу ученому секретарю диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке СПбГТУ.

Автореферат разослан " о^л. 1998г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических наук

ОЛ.Подсвиров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы.

Композитные металл-диэлектрические материалы представляют собой макроскопически однородную смесь металла и диэлектрика. В зависимости от соотношения концентраций структура материала может представлять собой либо частицы металла диспергированные в диэлектрической матрице, либо наоборот. Известно, что проводимость таких материалов резко меняется вблизи некоторой пороговой концентрации металлической фазы в соответствии с теорией протекания [1]. При концентрациях металла ниже порога протекания поведение проводимости таких материалов определяется размерами металлических частиц и свойствами разделяющих их туннельных барьеров. Электрический ток обусловлен туннелированием электронов по металлическим гранулам, причем существенное влияние на особенности переноса заряда может играть изменение электростатической энергии частицы в процессе туннелирования [2]. Более того, как было показано в последнее время [3], если в такой среде удается выделить достаточно тонкий и короткий проводник, в объеме которого содержится лишь небольшое количество металлических гранул, туннелирование происходит вдоль "оптимальной" цепочки гранул и могут наблюдаться явления характерные для одноэлекгронного транспорта [4].

В отличие от литографически сформированных систем туннельных переходов, имеющих минимальные размерами порядка ~ 100x100 нм2, размеры металлических гранул образующихся в композитах составляют несколько нанометров. Поэтому в литографических структурах одноэлсктронные эффекты становятся заметными при температурах порядка сотен мК, тогда как в композитах одноэлектронный транспорт может быть реализован при температурах вплоть до комнатной [3]. Создание одноэлектронных приборов способных работать при комнатной температуре представляет несомненный практический интерес.

Условия реализации одноэлектронных режимов протекания тока в композитах напрямую связаны со структурными параметрами материала (размерами металлических частиц, расстояниями между ними и свойствами диэлектрической среды), которые статистически

распределены в объеме образца. В связи с этим основной вопрос с точки зрения практического применения заключается в обеспечении воспроизводимости структурных параметров и возможности управлении ими.

К настоящему времени исследованию различных аспектов связанных с получением, диагностикой и применением композитных металл-диэлектрических материалов посвящено значительное количество работ. Однако, как правило, в этих работах проводится изучение отдельных свойств, присущих этому классу материалов. Исследований, направленных на совместное изучение структуры композитного материала, возможностей ее модификации после напыления, электрических свойств и их зависимости от структуры практически не проводилось. В связи с этим проведенные в рамках данной ¡работы исследования являются, несомненно, актуальными.

Цель диссертационной работы состояла в комплексном исследовании структурных и электрических свойств композитных металл-диэлектрических пленок Си/БЮг при концентрациях металла ниже порога протекания.

Научная новизна работы и практическая ценность результатов работы.

Развиты существующие представления о структуре и химическом состоянии композитных металл-диэлектрических материалов. Исследована зависимость количества металла сегрегирующегося в крупные гранулы от плотности центров зародышеобразовання (плотность центров менялась в зависимости от дозы имплантации ионов инертного газа в пленку перед отжигом). Подробно исследовано поведение электрических контактов к композитным материалам, показана возможность формирования омических и блокирующих контактов.

В структурах туннельный контакт/металл-диэлектрическая пленка/омический контакт обнаружен гистерезис вольт-амперных характеристик и эффект обратимой зарядовой памяти, обусловленные захватом инжектированных в пленку носителей заряда на доягоживушие состояния вблизи области туннельного контакта. При комнатной температуре обнаружено проявление одноэлектронных эффектов в проводимости сверхмалых объемов композитной пленки.

Практическая ценность данной работы состоит в том, что разработана технология получения композитных пленок медь-оксид

кремния методом магнетронного сораспыления, обеспечивающая заданные соотношение металла и диэлектрика. На основе данных полученных с использованием различных методов диагностики структуры показана возможность управления физическими свойствами композитных пленок Cu/Si02 путем варьирования параметров магнетронного распыления, режимов отжига, дополнительной имплантации ионов инертного газа. Разработаны способы формирования омического и туннельного контактов к композитным пленкам. Продемонстрирована возможность создания ячеек долговременной обратимой памяти на основе металл-диэлектрических пленок.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ. ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. При изготовлении композитных пленок Cu/Si02 методом магнетронного напыления не образуются химические соединения меди с кремнием и кислородом;

2. В напыленной композитной пленке Cu/Si02 с концентрацией металла ниже порога протекания металлическая фаза представлена в виде гранул размером порядка 1 нм, а также рассеянных атомов. При последующем отжиге пленки за счет диффузии металла происходит увеличение размеров гранул и уменьшение количества рассеянных атомов;

3. Имплантация ионов инертного газа в композитную пленку приводит, в процессе ее отжига, к увеличению количества металла сегрегирующегося в гранулы за счет увеличения плотности центров зародышеобразования;

4. Электрический контакт, формирующийся при нанесении Сг и Au на поверхность композитной пленки, обладает омическими свойствами;

5. Температурная зависимость проводимости металл-диэлектрических пленок с концентрацией металла ниже порога протекания в режиме малого поля следует закону 1п(а)~ -Тш, который отвечает механизму прыжковой проводимости с переменной длиной прыжка;

6. В структурах с одним омическим, а другим ту ннельным контактом к композитной пленке наблюдается эффект обратимой зарядовой памяти, проявляющийся в гистерезисе вольт-амперных характеристик;

7. Осцилляции вольт-амперных характеристик композитных проводников субмикронного размера наблюдающиеся при

комнатной температуре обусловлены эффектом макроскопического квантования заряда.

Апробация работы. Результаты являющиеся частью диссертационной работы представлялись на 8-ой международной конференции по малым частицам и неорганическим кластерам, Копенгаген, Голландия, 1996; на международной конференции "Nanostructures: Physics and technology", С.-Петербург, 1997.

.. Результаты работы докладывались также на семинарах лабораторий "Полупроводниковой квантовой электроники" и "Диагностики материалов и структур твердотельной электроники" ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН.

Исследования в данном направлении были поддержаны грантом .РФФИ N 96-02-18781, грантом Государственной Научно-Технической Программы "Перспективные технологии микро- и наноэлектроники" N 158/57/1, а также персональным грантом для молодых ученых мэрии г.С.Петербурга и Конкурсного Центра Фундаментального Естествознания г.С.Петербурга.

Публикации. По теме диссертации опубликовано пять печатных работ, список которых приведен в конце реферата.

Структу ра и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 3-х глав, заключения с основными выводами и списка цитируемой литературы. Полный объем диссертации составляет 98 страниц, в том числе 3 таблицы и 27 рисунков. Список литературы включает 79 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулирована цель исследования, излагаются основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава Литературный обзор.

В первой части этой главы рассматриваются основные методы, применяющиеся для изготовления композитных металл-диэлектрических пленок. Более подробно рассматривается метод магнетронного напыления, его особенности и преимущества. Этим методом были получены пленки композитные Cu/Si02, исследованиям которых посвящена данная работа.

Далее описываются общие закономерности формирования

структуры композитных материалов при концентрации металла ниже порога протекания и наиболее часто применяемые методы их диагностики. Краткое рассмотрение методов рентгеновского микроанализа, просвечивающей электронной микроскопии, рентгеновской дифрактометрии, обратного резерфордовского рассеяния и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии включает вопросы о возможностях каждого метода, пределах применимости и примеры использования для диагностики мсталл-диэлектрнческих композитов.

В заключительной части первой главы дан краткий обзор исследований электрических свойств металл-диэлектрических материалов. Рассматривается два различных подхода к описанию электрической проводимости композитов. В макроскопическом подходе, основанном на теории эффективной среды [5], композитный материал характеризуется эффективной проводимостью, зависящей только от соотношения концентраций металла и диэлектрика. Микроскопический же подход, который и был использован в данной работе, учитывает реальные механизмы электрического транспорта, благодаря чем}' становится возможным трактовать температурные н полевые зависимости проводимости. Согласно такому подходу, протекание тока в композитной среде обусловлено туннелнрованием (прыжками) электронов по локализованным состояниям, роль которых выполняют металлические гранулы [6]. Поведение проводимости композита полностью определяется параметрами его структуры, такими как средний размер металлических гранул, расстояние между ними и свойствами диэлектрических барьеров.

Отдельно рассмотрен вопрос о проводимости композитных проводников малых размеров таких, что в них становятся существенными т.н. одноэлектронные эффекты, связанные с протеканием тока через одну или несколько связанных цепочек металлических частиц. Приводятся литературные данные о проявлении одноэлектронных эффектов в проводимости композитных материалов.

Вторая глава. Получение композитных пленок Си/5Ю2 и исследование их структуры.

В этой главе описывается методика изготовления композитных пленок методом магнетронного сораспыления металла и диэлектрика, а также процедура последующего отжига полученных пленок для модификации их структуры. Приводится описание технологической установки и параметров процесса напыления, которые использовались в данной работе. Представлены результаты исследования структу ры

неотожженных и отожженных пленок Cu/Si02 методами просвечивающей электронной микроскопии, рентгеновской дифрактометрии, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, спектроскопии тонкой структуры К-края поглощения рентгеновского излучения.

Приготовление пленок осуществлялось на установке магнетронного напыления SCM-450 (Alcatel, Франция) в атмосфере сухого аргона при вращении подложек над раздельными источниками Си, и SiQ2 высокой чистоты (99.999%). Для распыления Si02 использовался радиочастотный генератор с диапазоном изменения мощности от 250 Вт до 40 Вт, при этом скорость напыления Si02 менялась от 4.2 нм/мин до 0.7 нм/мин, соответственно. Напряжение на магнетроне с мишенью из Си поддерживалось постоянным и составляло 300 V, "что обеспечивало скорость напыления меди 5.3 нм/мин. Управление мощностью подаваемой на каждый источник позволяло варьировать компонентный состав пленок, однако во всех случаях скорости напыления подбирались таким образом, чтобы за один проход над источниками на подложку осаждалось менее одного монослоя материала. В качестве подложек использовались окисленный и неокисленный кремний и кварц. Такой выбор был обусловлен требованиями экспериментальных методик исследования образцов. Для очистки подложек использовалась сначала химическая обработка, а затем подтравливание ионами аргона в рабочей камере непосредственно перед напылением. Таким методом были получены композитные металл-диэлектрические пленки Cu/Si02 с концентрацией - меди от 5 до 35 объемных %, их толщина составляла ~ 200 нм. Часть пленок отжигалась в атмосфере водорода при температуре 850°С от 10 минут до 7 часов.

Согласно данным, полученным с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), при напылении металл-диэлектрических пленок часть металлической фазы собирается в мелкие гранулы размером порядка 0.5-2 нм, в зависимости от концентрации металла. На спектрах рентгеновской дифракции полученных от этих пленок присутствуют пики соответствующие отражению от плоскостей (111) и (200) кристаллический решетки меди, Это однозначно свидетельствует о том, что металлическая фаза в напыленных композитных пленках, по крайней мере в части объема гранул, обладает кристаллической структурой. Шумы при записи спектров рентгеновской дифракции не позволили точно определить

форму линия рентгеновской дифракции, и, следовательно, вычислить средний размер частиц.

По спектрам К-края поглощения рентгеновского излучения были определены значения среднего координационного числа и длины связи в металлических гранулах неотожженных композитных пленок с концентрациями меди от 8 до 32 об.%. В пленках с концентрацией металла 8% в образовавшихся гранулах существует очень слабое взаимодействие Cu-Cu и по своей структуре эти гранулы ближе к скоплению атомов, чем к частицам. При увеличении концентрации металла в пленке среднее значение длины связи Cu-Cu приближается к параметрам решетки объемного металла, и при концентрациях металла больше 25% практически им соответствует. Однако, координационное число даже при концентрации 32 % не достигает объемных значений (8 вместо 12), что обусловлено малым размером гранул и, следовательно, сильным влиянием их поверхности на структуру. Таким образом, на основании проведенных исследований, можно сделать вывод, что в напыленной композитной пленке Cu/Si02 металлическая фаза представлена в виде гранул размером порядка 1 нм, а также рассеянных атомов.

Термическая обработка композитной пленки приводит, как показывают данные ПЭМ, к изменению ее структуры,. В процессе отжига происходит рост металлических гранул за счет диффузии меди из окружающей матрицы, при этом количество рассеянной меди уменьшается. По соответствующим изменениям спектров К-края поглощения рентгеновского излучения можно сделать вывод о происходящей при отжиге композита перестройке структуры металлической фазы и приближении ее к структуре объемного металла. Статистическая обработка фотографий микроструктуры, полученных с помощью ПЭМ, позволила постротъ функции распределения металлических гранул по размерам и оцешггь количество меди, находящееся в крупных гранулах размером более 1 нм. Было обнаружено, что для всех исследованных пленок доля металлической фазы, выпадающая при отжиге в гранулы, составляет порядка 0.1 от введенного металла.

Известно, что согласно теории фазового распада пересыщенных твердых растворов, количество кристаллизовавшегося металла зависит от общей концентрации центров кристаллизации. Для увеличения числа таких центров, в композитную пленку была проведена имплантация ионов аргона; в эксперименте использовалась пленка с содержанием Си

8 об.%. После отжига в имплантированных образцах количество кристаллизовавшегося металла резко увеличилось, причем выяснилось, что существует оптимальная плотность центров кристаллизации, при которой в гранулы собирается максимальное количество металла При использованных параметрах отжига (850°С в течение 30 мин) такой оптимальной плотности соответствует доза имплантации 5x10й см"2, при этом в разрешаемые микроскопом гранулы переходит около 85% от полной концентрации металла.

В заключительной части второй главы приводятся результаты исследования химического состояния меди в матрице БЮ2 методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. На основе анализа полученных оже- и фотоэлектронных спектров сделаны выводы о том, что в напыленной и отожженной пленках не происходит химического взаимодействия меди с кислородом и кремнием, кроме того подтверждаются сделанные ранее заключения о изменении размеров металлических гранул во время отжига.

Третья глава. Электрические свойства композитных металл-диэлектрических пленок

В главе приводится подробное описание методики изготовления экспериментальных образцов для электрических измерений в планарной и вертикальной геометрии, схем использованных экспериментальных установок. Последовательно рассматриваются вопросы об особенностях электрических контактов к композитным пленкам, о концентрационной и температурной зависимостях проводимости композитных пленок, об изменении проводимости при отжиге пленок. Приведены результаты исследований структур металл/композит/металл в вертикальной геометрии, а также исследований проводимости композитных проводников субмикронных размеров.

В данной работе проводилось исследование электрических свойств композитных пленок Си/БЮ2 с концентрацией меди от 15 до 35 объемных %. Пленки с меньшей концентрацией не исследовались, потому что они обладают очень низкой проводимостью. При концентрациях больше 35 % материал по своим свойствам оказывается вблизи порога перколяции и характер его проводимости .меняется на металлический. Исследование свойств композитного материала в таком режиме в задачу данной работы не входило.

Впервые были проведены подробные исследования свойств электрических контактов к композитным металл-диэлектрическим

материалам. При помощи методики оптической литографии были изготовлены структуры с планарно расположенными контактными площадками из Сг или Аи лежащими на и под пленкой. Было обнаружено, что при напылении металлических контактных площадок на поверхность готовой пленки формируется омический контакт. При формировании же пленки на контактных площадках, на вольт-амперных характеристиках появляется отсечка, величина которой определяется типом контактного металла и составляет для Аи - ~ 4В и для Сг - ~2.5 В. Такое поведение проводимости, по-видимому, связано тем, что подложка оказывает сильное влияние на свойства композитной пленки. При напылении на металл в пленке происходит перераспределение компонентов таким образом, что нижний, "приконтактный" слой пленки оказывается обедненным медью и по своим свойствам он близок к диэлектрику. При малых напряжениях этот слой вносит основной вклад в общую проводимость образца, а при увеличении напряжения обратимо пробивается и проводимость образца определяется свойствами самой пленки.

Из измеренных ВАХ структур с омическими контактами была определена удельная проводимость композитных пленок Си/БЮг с концентрациями металла 15-33 %. Полученные значения качественно согласуются с литературными данными по аналогичным металл-диэлектрическим материалам, количественные же отличия объясняются индивидуальными особенностями проводимости металл-диэлектрических пленок полученными на основе разных металлов и диэлектриков и при различных условиях.

В процессе отжига композита за счет диффузии металла происходит увеличение расстояния между гранулами и очищение диэлектрической матрицы, что приводит к уменьшению общей проводимости материала. Измерения серии отожженных образцов композитной пленки с содержанием меди 20% показали, что к существенным изменениям проводимости приводит отжиг при температурах более 400°С. Так отжиг пленки в течение 5 минут при 700°С уменьшает проводимость в 3000 раз по сравнению с исходной.

С целью изучения механизмов электрического транспорта в металл-диэлектрических пленках были измерены температурные зависимости проводимости неотожженных пленок. Вопрос о проводимости отожженных пленок и о возможном изменении механизма проводимости в зависимости от условий отжига в работе не рассматривался. Кроме того, как было показано, при отжиге

проводимость пленок резко уменьшается и измерение при низких температурах связано со значительными трудностями.

Известно, что в композитных материалах протекание тока, обусловленное генерацией подвижных носителей заряда с последующим туннелированием по металлическим гранулам, может характеризоваться соотношением разности потенциалов между соседними гранулами ЛУ, температуры кТ и зарядовой энергии гранул

определяемой их размером (Ее = -- , г - радиус гранул). В пленках

Н7ГЕ£0Г

СиЛмОг при концентрациях меди 20-30 %, согласно данным структурных исследований, средний размер металлических гранул составляет ~ 1.5 им, что соответствует значению средней зарядовой энергии «.<£■<•> =Р0лгэВ. Поскольку величина кТ при 300 К равна 26 мэВ, условие Е<>кТ в условиях нашего эксперимента выполняется всегда. В такой ситуации характер проводимости будет определяться величиной приложенного напряжения. Если выполняется условие еЛУ <кТ, генерация подвижных носителей осуществляется за счет термической активации и проводимость образца прямо пропорциональна приложенному напряжению (т.н. режим "слабого" поля). Увеличение еА!' до значений сравнимых или превышающих кТ приводит к появлению полевого вклада в генерацию носителей, общая их концентрация отклоняется от равновесной, и ВАХ становятся неомичными (т.н. режим "сильного" поля). По измеренным в температурном диапазоне 25-300К ВАХ было определено, что в композитных пленках с концентрацией металла 20 - 35% режим "слабого" поля реализуется при напряженностях менее 104 В/см.

Температурные зависимости проводимости неотожженных • композитных пленок Си/БЮг измеренные в режиме "слабого" поля

следуют закон}' 1п(а) — , который отвечает механизму прыжковой

проводимости с переменной длиной прыжка. Анализ полученных температурных зависимостей проводился в рамках модели предложенной Абелесом [7]. На основе этой модели была проведена оценка основных параметров в выражении для проводимости и проведено их сравнение с результатами структу рных измерений.

Известное выражение для проводимости металл-диэлектриков

может быть записано в виде: а _ а х еХр( -2^ -_-_) [7], где 5 -

0

расстояние между гранулами участвующими в переносе заряда, х -обратная длина туннелирования сквозь барьер между гранулами, С = х-я-Ес. В модели Абелеса предполагается, что С=со;?5/, которая зависит только от концентрации металла и может служить универсальной характеристикой материала, связывающей структурные и транспортные свойства. Оптимизация подэкспоненциального выражения в формуле для а при условии С=сот\, позволяет найти оптимальное расстояние туннелирования (оптимальную длину прыжка)

Так как напряженность электрического поля в пленке соответствовала режиму "слабого" поля и проводимость каждого конкретного образца зависела только от температуры

«г сс ехр(-2 ), то величина С была определена непосредственно из

зависимостей а (Г). Из условия С = const, были найдены

средние по объему образца значения длины прыжка <s>. В качестве зарядовой энергии была взята" величина <ЕС>= 90 мэВ. Полученные значения <s> по порядку величины совпали с оценками величины среднего расстояния между металлическими гранулами, проведенными на основе анализа структуры композитной пленки.

Кроме того, экспериментально определенные значения С были использованы для вычисления оптимальной длины прыжка <sm> в пленке. Полученная для различных концентраций металла, зависимость <sm>(T) также отвечает прыжковому механизму электронного транспорта с переменной длиной прыжка, который присущ металл-диэлектрическим материалам при слабых полях.

Изучалась также проводимость неотожженных пленок при протекании тока поперек пленки (вертикальная геометрия). Измерения проводились на структурах 'нижний контает^Сгу-Си/БЮг-'верхшш контакт(Сг-Аи)" при комнатной температуре. Было обнаружено (см.рис.1), что проводимость таких структур нелинейно зависит от напряжения и возрастает пороговым образом при напряжении U, ~ 3-4 В. При толщине пленки ~ 200 нм, такое значение порогового напряжения отвечает напряженности электрического поля в образце Е ~ 1.5x10s В/см (т.е. режиму "сильного" поля). Второй характерной

sm для данной концентрации металла: s

т

Напряжение, В рис. 1

особенностью ВАХ является гистерезис зависимости тока от приложенного напряжения (рис.1). При первичном увеличении напряжения от ну ля до некоторой величины, превышающей пороговое значение, ток следует кривой 1, а при последующем уменьшении напряжения - кривой 2, отвечающей меньшему значению сопротивления. Это значение сопротивления образца примерно в 10 раз меньше, чем сопротивление измеренное при первичном приложении напряжения.

При следующих циклах увеличения/уменьшения напряжения зависимость тока от напряжения будет следовать кривой 2, причем это состояние с низким сопротивлением сохраняется в течение длительного (порядка нескольких часов) времени. Систему можно вернуть в состояние с высоким сопротивлением путем приложения напряжения обратной полярности. При этом ВЛХ ведет себя симметричным образом - при увеличении отрицательного напряжения ток следует "высокоомной" кривой 3, затем, при уменьшении абсолютного значения напряжения - "низкоомной" кривой 4, после чего при приложении вновь положительного напряжения, ВАХ вернется на

кривую 1. При измерении В АХ с различными скоростями изменения напряжения гистерезис сохраняется, но меняется величина протекающего тока; если временная задержка между ступенями подаваемого напряжения составляет 20 сек , ситуация является практически квазистационарной.

Качественно наблюдаемое явление гистерезиса ВАХ можно объяснить следующим образом. Согласно результатам исследования свойств контактов к композитной пленке приведенным в начале главы, слой композитного материала прилегающий к подложке обеднен медью. Этот обедненный слой обладает сопротивлением, близким к сопротивлению диэлектрика, поэтому можно рассматривать образец изготовленный для измерений в вертикальной геометрии, как структуру с одним омическим (верхним) контактом, а другим (нижним) туннельным контактом. Приложенное к образцу напряжение падает в основном на слое вблизи нижнего контакта, и когда это напряжение становится достаточно большим, начинается инжекция электронов в композитную пленку. Гранулы, обладающие малой зарядовой энергией (эта энергия может уменьшаться за счет влияния поверхностных зарядов) играют роль ловушек, которые занимают носители заряда инжектированные в композит. Заряженные ловушки, меняя распределение потенциала внутри пленки, влияют на протекание тока через структуру, так что ВАХ начинают следовать низкоомной кривой. Приложение напряжения обратной полярности приводит к опустошению ловушек, и ВАХ возвращаются на высокоомную ветвь. Исследование отклика такой структуры на воздействия импульсов напряжения показали, что можно осуществлять переключение проводимости из высокоомного в низкоомное состояние за время порядка 10 мс (при напряжении записи 15 В). Время чтения состояний составлявшее в данном случае 1 мс, ограничивается только ЯС внешней цепи. Записанные состояния сохранялись в течение всего времени эксперимента, составлявшего 10-20 часов. Таким образом, можно рассматривать описанную структуру как ячейку долговременной памяти, в которой высокоомный и низкоомный уровни проводимости соответствуют логическим "0" и "1". Достаточно короткие времена переключения позволяют говорить о возможном практическом применении обнаруженного эффекта в практических целях.

Заключительная часть третьей главы посвящена исследованию электрических свойств субмикронных композитных проводников. На ВАХ измеренных при комнатной температуре с помощью

сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) наблюдается серия пиков с характерной высотой ~ 2x10"'2 А . Появление этих пиков связано с тем, что протекание тока через объем пленки находящийся под зондом СТМ контролируется несколькими взаимодействующими между собой цепочками гранул расположенными вблизи зонда; при изменении приложенного напряжения распределение электрического поля внутри пленки меняется и происходит переключение каналов протекания, отражающееся на величине тока. В литературе подобные эффекты Называют некогерентными мезоскопическими осцилляциями тока ' [8]. Характерный масштаб осцилляций по шкапе напряжений составляет 150 мВ и находится в разумном соответствии с величиной зарядовой энергии металлических гранул. Таким образом, на основании полученных результатов можно утверждать , что в композитных пленках Cu/Sip2 ■■ эффекты макроскопического квантования заряда могут наблюдаться при комнатной температуре.

Заключение.

Основные результаты диссертационной работы сводятся к следующему:

1. Разработана технология получения композитных металл-диэлектрических пленок Cu/Si02 с заданным соотношением компонентов методом магнетронного сораспыления из независимых источников меди и оксида кремния.

2. Экспериментально показано, что путем имплантации в металл-диэлектрическую пленку перед отжигом ионов инертного газа можно существенно увеличить количество металлической фазы сегрегированной в гранулах размером более 1 нм.

3. Показано, что во время напыления, а также при последующем отжиге композитной пленки в восстановительной атмосфере не происходит химического взаимодействия между металлической и диэлектрической фазами.

4. Впервые показано, что характер электрического контакта к композитной пленке может меняться от омического до блокирующего, в зависимости от спосоой его формирования. Предложен способ формирования омического контакта к композитным пленкам.

5. Проведен анализ температурных зависимостей проводимости неотожженных композитных пленок в рамках существующей

модели Абелеса. Впервые проведена оценка структурных параметров пленки (среднего расстояния между частицами) по данных электрических измерений, полученные результаты сопоставлены с данными структурных исследований.

6. Впервые в структурах туннельный контакт/композитная пленка/омический контакт обнаружен эффект обратимой зарядовой памяти, проявляющийся в гистерезисе ВАХ при комнатной температуре. Исследован отклик проводимости композитной пленки на воздействие импульсов напряжения.

7. Продемонстрирована возможность использования металл-диэлектрических пленок для создания ячеек памяти.

8. Показано, что в композитном проводнике субмикронных размеров эффекты макроскопического квантования заряда наблюдаются при комнатной температуре.

Цитированная литература:

1) A.L.Efros, B.I.Schklovski, "Critical behaviour of conductivity and dielectric constant near the metal-non-metal transition threshold", Phys.Stal.Sol.B, 76, p.475 (1976);

2) C.A.Neugenbauer, M.B.Webb, "Electrical conduction mechanism in ultra thin evaporated metal films", JAppl.Phys., 33(1), p.74 (1962);

3) S.V.Vyshenski, "Metallic single-electron devices", Phys.of Low-Dim.Structure, 11/12, p.l (1994);

4) E. Bart-Sadeh, Y. Goldstein, C. Zhang, H. Deng, B. Abeles, O. Millo,, "Single-electron tunneling effects in granular metal films", Phys.Rev.B, 50, 12, 8961 (1994);

5) Bruggeman, Ann.Physik, 24, p.636 (1935);

6) B.Abeles, P.Sheng, M.D.Coutts, Y.Arie, "Structural and electrical properties of granular metal films", Ach'.Phys., 24, p.407 (1975);

7) P.Sheng, "Electronic transport in granular metal films", Philos.Mag.B, 65(3), p.357 (1991);

8) M.E.Raikh, I.M.Rusin, "Transmittancv fluctuations in randomly nonuniform barriers and incoherent mesoscopics" in: Mesoscopic phenomena in Solids, ed. by B.Altschuler, P.Lee, R.Webb, Eslsevier, Amsterdam, 1991;

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих

работах:

1. С.А.Гуревич, Т.А.Зарайская, С.Г.Конников, В.М.Микушкин, С.Ю.Никонов, А.А.Ситникова, С.Е.Сысоев, В.В.Хоренко, В.В.Шнитов, Ю.С.Гордеев, «Исследование химического состояния меди в композитных пленках Cu/Si02 методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии» ФТТ, т.39(10), с. 1889 (1997);

2. S.A.Gurevich D.A.Zakheim, V.V.Horenko, T.A.Zaraiskaya and EMTanklevskaya, "Room Temperature Hysteresis Behavior of IV-curves and Memory Effects in Granular Metal-Dielectric Films", Proc. of Int.Symp. "Nanostructures:Physics and Technology", St.Petersburg, 23-27 June 1997, p.474;

3. S.A.Gurevich, , V.V.Horenko, T.A.Zaraiskaya, L.Yu.Kupriyanov, M.Yu.Kupriyanov, T.N.Vasilevskaya, S.V.Vyshenski, "Room-temperature "Coulomb Fingerprints in Thin Films of a Cu+Si02 Composite Material", Письма в ЖЭГФ, т.64(10), с.736 (1996);

4. A.V.Kolobov, H.Oyanagi, S.A.Gurevich, T.A.Zaraiskaya, V.V.Horenko and KTanaka, "The Formation of Copper Nanoclusters in Si02 Studied by X-ray Absorption Spectroscopy", J.of Surf Analysis, v.3(2), p.486 (1997);

5. A.V.Kolobov, H.Oyanagi, S.A.Gurevich, T.A.Zaraiskaya, V.V.Horenko V.V.Poborchii and KTanaka, "Sturcture of Inorganic Nanoclusters Embedded in Solid Matrixes: an X-ray Absorption Study", Zeitschrift fur Physik, v.40, p.520 (1997);

Подписано к печати 20.02.9S. Печ.д.1 ;0. Тирах; 100. Заказ N143.

Отпечатано в Издательстве СПбГТУ 195251, Санкт-Петербург, Политехническая уд., д. 29.