Полупроводниковые слоистые структуры на основе пленок редкоземельных элементов и их соединений тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Р Г Б ОД

- 8 ИЮН 1393

На правах рукописи

РОЖКОВ ВИКТОР АРКАДЬЕВИЧ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СЛОИСТЫЕ СТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ ПЛЕНОК РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ИХ СОЕДИНЕНИЙ (СИЛИЦИДЫ, ОКСИДЫ И ФТОРИДЫ)

01.04.05 - Оптика

01.04.10 - Физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико - математических наук

Самара - 1998

Работа выполнена в Самарском государственном университете

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Горелик B.C., доктор физико-математических наук, профессор Ннкитенко В.А., доктор технических наук, профессор Орликовский A.A.

Ведущая организация: НИИ «Волга» , г. Саратов

Защита состоится 22 июня 1998 г. в 11 часов на заседании

диссертационного совета Д.053.37.01 в Ульяновском государственном университете по адресу: 432700, г. Ульяновск, ул. Л. Толстого, 42, в корпусе на Наб. реки Свияги, ауд.701.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ульяновского государственного университета.

Автореферат разослан 18 мая 1998 года

Ученый секретарь Диссертационного Совета доктор физ.-мат. наук, профессор

М.К. Самохвалов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Широкое применение контактов металл - полупроводник и лупроводниковых приборов на их основе вызывает необходимость поиска и исследо-ния характеристик новых контактных систем, обладающих разнообразными функцио-льными свойствами. К числу перспективных металлов для создания эффективных рьеров Шоттки с кремнием р - типа проводимости относятся редкоземельные; элемен-I (РЗЭ), имеющие малую величшгу работы выхода электронов и позволяющие реализо-ть в контакте с р - кремнием большие по величине потенциальные барьеры. С этой чки зрения данная система перспективна для физических исследований и практических шложений в связи с возможностью получения значительных по величине барьеров, обдающих высокой эффективностью. Однако к моменту постановки настоящей работы в ггературе отсутствовали экспериментальные данные о значении высоты барьера Фь в [стеме кремний- редкоземельный металл (РЗМ) за исключением одной работы, в кото->й Фь~0,7 эВ получена для контакта р-кремния с иттербием, тербием и эрбием. Совер-ешго не нашли отражения в литературе физическая модель, фотоэлектрические свойст-поверхностно-барьерных диодов (ПБД) на основе контакта редкоземельного элемента->емний и сведения о возможности их практического использования.

Актуальной задачей полупроводниковой электроники является также улучшение араметров и характеристик полупроводниковых приборов и элементов интегральных хем. Значительных успехов в этой области в последние годы удалось достичь вследст-не применения новых материалов - тонкопленочных силицидов металлов. Пленки этих оединешш перспективны для создания низкоомных контактов, поверхностно - барьер-ых диодов, электродов затворов МДП - приборов, выполняемых по самосовмещаемой ехнологии, в интегральных схемах, межэлементных пленочных электрических соеди-ений. Кроме этих, становящихся уже традиционными, областей применения, силициды югут послужить базовым материалом для новых, перспективных технологических прокосов производства сверхбольших интегральных схем будущих поколений. Большие озможности открываются для процессов твердофазной эпитаксии с использованием лоёв силицидов, ионной имплантации тугоплавких металлов через тонкие слои сили-1Идов, применения силицидов в оптоэлектронных устройствах длительного хранения [»формации.

Среди соединений кремния с металлами выделяются силициды редкоземельных еталлов, которые образуют первую и окончательную дисилицидную фазу при весьма вких температурах (620-720 К) и формируют высокий барьер нар-кремнии и низкий на земнии п-типа проводимости. Низкие значения высоты барьера на контракте силицид ЗМ- кремний п-типа позволяют говорить о возможности использования этой системы в 1честве омического контакта. Однако, систематическое исследование свойств тонкоп-;ночных силицидов РЗМ и барьеров Шоттки на основе контакта силицид РЗМ- кремний >лько ещё начато. Не исследована кинетика роста силицидов РЗМ. Не ясен механизм зразования дисилицидов при такой низкой температуре. Крайне мало данных имеется и 5 электрофизических свойствах этих контактов. В частности, не исследованы влияние \»еньшения высоты барьера на основе силицида РЗМ на величину контактного сопро-1вления, морфология поверхности и структурные особенности переходной области кон-1кта кремннй-силицид РЗМ.

Сложпые слоистые системы различуюго типа, в особенности системы меташ диэлектрик-полупроводник (МДП), приобрели в последнее время исключительную акт; алыюсть в связи с чрезвычайно широким их распространением в полупроводниковы приборах и физических исследованиях. Именно такие системы составляют основу почт всего современного полупроводникового приборостроения, в том числе и микроэлектрс ники.

Несмотря на большое число работ, посвященных исследованию МДП-систем, значительные успехи, достигнутые в понимании их свойств, многие вопросы, связанны с работой этих структур, до конца еще не могут считаться решенными. По-прежнем главными задачами этой области физики являются выяснение механизмов доминирук щих физических процессов, протекающих на поверхности и в области пространственнс го заряда (ОПЗ) полупроводника, установление природы поверхностных электронны состояний, поиск п разработка новых систем диэлектрик - полупроводпик, изыскали методов сознательного управления параметрами МДП-систем, дальнейшее выясненн возможностей их практического использования. Среди основных путей улучшения пар; метров МДП-приборов и элементов интегральных схем следует выделить получение вь сококачественной границы раздела полупроводника с диэлектрической пленкой, испол! зование диэлектрических материалов с лучшими характеристиками, совершенствован!! методов нанесения диэлектрических пленок.

К числу перспективных диэлектрических материалов относятся оксиды и фторид1 редкоземельных элементов (ОРЗЭ), которые обладают большими значениями диэлектри ческой проницаемости, высокой электрической прочностью, химической и термическо стойкостью, расширенными функциональными возможностями. Однако, несмотря н значительные практические успехи в технологии МДП-приборов с оксидами редкозе мельных элементов (РЗЭ), многие фундаментальные вопросы, связанные с физикой я с лений в них, а также касающиеся физико-химической природы их основных характер!) стик, до настоящего времени остаются невыясненными. К числу таких проблем относит ся определение величин энергетических потенциальных барьеров на межфазных грани цах, параметров и природы ловушек, являющихся центрами захвата носителей заряде установление электрических и фотоэлектрических свойств МДП-структур с диэлектриче скими пленками из ОРЗЭ. Актуальность решения указанных проблем определяется ка самой логикой развития знаний о свойствах пленок ОРЗЭ, так и требованиями практиче ского использования этих пленок в различных устройствах, поскольку именно эти пара метры определяют основные электронные параметры и характеристики МДП-приборов.

Одной из актуальных задач полупроводниковой электроники является также изу чение новых физических явлений в тонкопленочных слоистых системах и возможносте! их использования для разработки перспективных функциональных приборов и элемен тов. Обнаруженный нами эффект электрического переключения проводимости с памятьк в пленочных структурах на основе оксидов и фторидов редкоземельных элементов пред ставляет интерес с точки зрения получения новых экспериментальных данных и характе ристик, которые не наблюдались для других материалов. По таким своим парамет рам, как кратность изменения сопротивления при переключении (10е - 107), время пе реключения (доли мкс), потребляемая энергия при переключении (~ 10'8 Дж), радиа ционная стойкость эти системы на несколько порядков превосходят известные аналоги Это обусловливает необходимость исследования основных закономерностей эффекта не реключения проводимости с памятью в структурах на основе оксидов и фторидов редко

мельных элементов и их зависимость от внутренних и внешних факторов, а также /нкционалышх особенностей этих структур.

В связи с этим целыо данной работы является изучение электрофизических ойств контакта тонкопленочного редкоземельного элемента с кремнием, исследование ектрофизических свойств тонкопленочных силицидов РЗМ и поверхностно - барьер-■ix диодов на основе контакта РЗМ - кремний и силицид РЗМ - кремний, исследование ектрофизических и фотоэлектрических свойств кремниевых МДП-структур с оксидами фторидами редкоземельных элементов в качестве диэлектрика, установление основных тзических процессов, протекающих в них, изучение фундаментальных параметров ДП-систем, определение величин энергетических потенциальных барьеров на межфаз-,1х границах, исследование качества границы раздела диэлектрик-полупроводник, опре-ление параметров активных центров захвата заряда в диэлектрических слоях оксидов !Э.

пя достижения этой цели были поставлены следующие основные задачи: изучение основных электрических свойств контактов кремний - редкоземельный металл и кремний - силицид редкоземельного металла, определение высоты потенциального барьера на контакте кремний - редкоземельный металл, кремний - силицид РЗМ;

исследование механизма электропроводности поверхностно - барьерных диодов на основе контакта редкоземельный металл - кремний и силицид редкоземельного металла - кремний;

исследование процессов формирования тонкопленочных силицидов некоторых РЗМ на поверхности монокристаллического кремния;

изучение структурных особенностей тонкопленочных силицидов РЗМ, переходной области контакта кремний - силнцид РЗМ и изучение поверхностной морфологии сн-лицидного слоя;

изучение фотоэлектрических характеристик и параметров поверхностно - барьерных диодов на основе контакта кремний - РЗМ и кремний силицид - РЗМ в фотодиодном и вентильном режимах, исследование фотоэлектрических свойств ПБД на основе контакта РЗМ - в режиме лавинного усиления фототока, определение коэффициентов ударной ионизации электронов и дырок в кремнии и их зависимости от напряженности электрического ноля;

выяснение функциональных особенностей тонкопленочных силицидов РЗМ, контактных систем кремний - редкоземельный металл, кремний - силицид РЗМ, а также возможностей их использования в микроэлектронике; > выяснение механизма электропроводности кремниевых МДП-структур с диэлектриком из оксидов и фторидов редкоземельных элементов;

» исследование качества границы раздела диэлектрик-полупроводник (ДП), а также изучение влияния технологических условий изготовления диэлектрических пленок на электрофизические характеристики МДП-структур,

« выяснение зависимостей характеристик электрического переключения проводимости с памятью структур с диэлектриком из оксидов и фторидов редкоземельных элементов от внутренних и внешних факторов, основных свойств переключающих структур в вы-сокоомном и низкоомном состоянии, исследование кинетики переходов структур из одного состояния в другое, зависимостей параметров переключения от температуры и электрического поля, закономерностей термического переключения проводимости

МДП-структур, изучение фотоэлектрических характеристик кремниевых МДП структур с оксидами и фторидами РЗЭ, определение физической модели низкоомног состояния;

• изучение влияния внешних условий: температуры окружающей среды, полярност приложенного напряжения, влажности и давления воздуха на величину напряжен» пробоя пленок ОРЗЭ, разработка теоретической модели явления электрического прс боя пленок ОРЗЭ, исследование закономерностей электрического пробоя пленок 01 сидов РЗЭ и переключения проводимости с памятью в структурах на их основе;

• изучение явления внутренней фотоэмиссии электронов в пленку диэлектрика из пс лупроводника или металла при облучении МДП-структур монохроматическим свето; и определение высот энергетических барьеров на межфазных границах металл (Ме] ОРЗЭ и ОРЗЭ-Б1;

• изучение особенностей накопления заряда в диэлектрической пленке из оксида ред коземельного элемента в кремниевой МДП-структуре при облучении, исследовани влияния УФ-излучения на электрофизические свойства МДП-структур с ОРЗЭ;

• исследование параметров активных центров захвата носителей заряда в диэлектрпчс ской пленке из оксида РЗЭ, определение "центроида" захваченного на ловушки заряд; энергетической глубины залегания и сечения захвата ловушек;

• выяснение функциональных особенностей МДП-структур с оксидами и фторидам РЗЭ в качестве диэлектрика, изучение просветляющего, пассивирующего действи пленок оксидов и фторидов РЗЭ в кремниевых приборах.

Научная новизна работы. Важнейшими из новых научных результатов, получе1 ных в диссертационной работе, являются следующие.

Впервые проведено комплексное экспериментальное исследование электрофиз! ческих свойств контактов редкоземельный металл - кремний и силицид редкоземельной металла - кремний и поверхностно - барьерных диодов на их основе.

Установлено, что свойства поверхностно - барьерных структур с кремнием р - тип приводимости близки к идеальным барьерам Шоттки. Показано, что к исследуемым кон тактам в области комнатных температур применима теория термоэлектронной эмиссш Установлено, что высота потенциального барьера в ПБД для всех исследованных редко земельных металлов практически совпадает между собой, не зависит от работы выход электронов из РЗМ и составляет 0,79 - 0,8 эВ.

Исследованы фотоэлектрические свойства ПБД на основе контакта РЗМ - р кремний при освещении их светом из области межзонного поглощения кремния в фоте диодном и вентильном режимах. Установлено, что предельные величины фотоЭДС хс лостого хода составляют 0,54 В для поверхностно - барьерных фотодиодов на основ контактов вс! -рБ1 и Ьи -р$1. Показано, что спектральная чувствительность ПБД с раз личными РЗМ в вентильном режиме на длине волны 0,63 мкм лежит в пределах 0,15 -О, 25 А/Вт, что соответствует значениям квантовой эффективности 30 - 50 %. В фоте диодном режиме при напряжении большем 1 В значения спектральной чувствительное составляют 0,46 А/Вт и 0,3 А/Вт, а величины квантовой эффективности достигают вели чин равных 90 % и 60 % для диодов на основе контакта вс! - рБ! и Оу - рБ1 соответст венно.

Экспериментально установлено, что для ПБД на основе контактов Ьи-рБ1 и У-р£ достигнутые значения коэффициента умножения фототока составляли 1200 и 1000 соот ветственно. Показано, что зависимости коэффициентов ударной ионизации электронов

ырок в кремнии от напряжённости электрического поля в области [,6-3,0)-105 В/см удовлетворительно описываются теоретическими зависимостями Бар-афа, при этом коэффициент ударной ионизации электронов почти на порядок превыша-г коэффициент ударной ионизации дырок.

Установлено, что формирование силицида РЗЭ происходит в единственной диси-ицидной фазе при температурах выше 623-673 К. Методом рснтгеноструктурного ана-иза и Оже-электронной спектроскопии исследован фазовый состав образующихся сили-идных плёнок РЗЭ. Показано, что плёночные лнсилициды диспрозия, иттрия и гадоли-ия формируются со структурой типа а-Ос^г, а днснлицид лютеция имеет структуру ЛВ2.

Установлено, что на контакте дисилнцида РЗМ с кремнием р-типа проводимости еализуются сравнительно большие величины потенциального барьера 3,73-0,75 эВ), которые практически одинаковы для силицидов различных РЗМ. Опреде-ены значения высоты потенциального барьера на контакте силицида РЗМ с п-кремнием 3,35-0,41 эВ). Показана перспективность использования тонкоплёночных силицидов ЗМ для создания поверхностно-барьерных приборов, омических контактов к п-ремншо, фоточувствительных элементов и межэлементных соединений в кремниевых риборах и интегральных схемах.

Проведено комплексное экспериментальное исследование фундаментальных па-аметров кремниевых МДП-структур с диэлектрическими пленками из оксидов и фтори-ов РЗЭ. Установлено, что электропроводность МДП-структур с диэлектрическими ленками ОРЗЭ описывается механизмом Пула-Френкеля. Методом внутренней фотомиссии носителей заряда в диэлектрик впервые определены высоты энергетических арьеров на межфазных границах А!-8т203 (2,89-2,91 эВ), Б^тгОз (2,70-2,72 эВ), №-т203 (3,29-3,33 эВ), А1-УЪ203 (2,9-2,92 эВ), 81-УЬ203 (3,18-3,21 эВ), №-УЬ203 (3,3-3,32 В), А1- У203 (3,3-3,4 эВ), Ag- У203 (3,3-3,35 эВ),№-У203 (3,7-3,8 эВ), 51-У203 (3,8-3,85 В), А1-1д1203 (2,9-3,0 эВ), Ьи203 (3,4-3,45 эВ). Установлено, что при положительном и трицателыюм напряжении на металлическом электроде наблюдается фотоэмиссня элек-ронов из кремния и металла соответственно. Из анализа вольтаических зависимостей ютоинжекционного тока после облучения определены параметры электронных ловушек диэлектрической пленке. Установлено, что фотоинжектированные электроны захваты-атотся на глубокие центры диэлектрика, причем "центронд" захваченного заряда распо-агается вблизи центра диэлектрика. Сечение захвата и поверхностная плотность элек-ронных ловушек в диэлектрической пленке оксида иттербия равны 3,5-10"19 см2 и ,6-1012 см'2 соответственно.

Методом фотостимулированнон деполяризации установлено, что электронные ентры захвата располагаются почти в середине запрещенной зоны диэлектрика УЬ203 и т203, в пленке УЬ203 на расстоянии 2,4-2,7 эВ от дна зоны проводимости, а в пленке т203 на расстоянии 2,25-2,6 эВ. Получено пространственное распределение захвачен-ого заряда в диэлектрической пленке вблизи межфазных границ раздела фаз ЯьОРЗЭ, Л-ОРЗЭ при облучении структур А1-8т203-81 и А1-УЪ203-81 монохроматическим све-ом.

Проведено исследование закономерностей электрического пробоя в диэлектриче-ких пленках оксидов РЗЭ. Предложена теоретическая модель электрического пробоя ленки оксида самария для области Ку=10-10! В/с. Показано, что развитие пробоя состо-т из подготовительной стадии, связанной с накоплением в диэлектрике критического

заряда, при превышении которого пробой переходит в быструю фазу собственного про боя диэлектрика.

Методом неравновесного емкостного эффекта поля исследованы генерационны-процессы в кремниевых МДП-структурах с пленками ОРЗЭ и определены параметры ге нерационных центров. Изучено влияние света и технологических условий изготовлени: диэлектрической пленки на генерационные процессы в кремнии. Исследованы эффект! просветления и пассивации поверхности кремниевых фотоэлектрических приборов пр] нанесении пленок ОРЗЭ и фторидов РЗЭ и показана перспективность их применения дл создания эффективных фотоэлектрических приборов. Изучены свойства МДП-структу] с диэлектрическими пленками ОРЗЭ на основе германия и арсенида галлия и устанон лена эффективность их использования для создания приборов на основе этих полупро водников.

Впервые проведено комплексное экспериментальное исследование явления элек трического переключения проводимости с памятью, обнаруженного в структурах с ди электрическими пленками из оксидов и фторидов РЗЭ. Исследованы основные законо мерности эффекта электрического и термического переключения проводимости с памя тыо. Изучена кинетика переключения проводимости из высокоомного состояния в низ коомное и обратно, исследована зависимость электрических параметров переключен» от температуры окружающей среды, толщины диэлектрика. Предложен эксперименталь но обоснованный механизм явления электрического переключения проводимости в ис следованных структурах из высокоомного состояния в низкоомное и обратно, сопровож даемого долговременной памятью.

Проведено целенаправленное исследование электрофизических и фотоэлектриче ских свойств МДП - структур с пленками фторидов РЗЭ в низкоомном состоянии. На ос нове теоретического анализа низкоомного состояния МДП - структур с фторидами РЗС показано, что характеристики низкоомного состояния описываются моделью структур! металл - туннельный диэлектрик - полупроводник. Определены особенности механизме: токопереноса в МДП - структурах в низкоомном состоянии, обусловленные присутстви ем туннельно тонкого слоя диэлектрика на границе с полупроводником. Установленс что в структурах, находящихся в низкоомном состоянии, при больших напряжениях приповерхностной области кремния реализуется режим лавинного умножения. Экспери ментально обнаружено и теоретически подтверждено, что в зависимости от состояни поверхности кремния в МДП - структурах после переключения в низкоомное состояни может устанавливаться режим инжекционного усиления фототока или эффект накопле ния неосновных носителей заряда на поверхности полупроводника.

Практическая ценность. Результаты работы могут использоваться при разработ ке приборов с применением пленок редкоземельных металлов, силицидов, оксидов 1 фторидов редкоземельных металлов. Хорошие выпрямительные свойства контактов ред поземельный металл - р - кремний и силицид редкоземельного металла - р - кремний от крывают возможности для создания на основе этих структур поверхностно - барьерны: детекторов и диодов.

Высокие фотоэлектрические параметры поверхностно - барьерных диодов на ос нове контактов редкоземельный металл - р - кремний указывают на перспективность ис пользования их в качестве высокочувствительных фотоприемников, в том числе обла дающих внутренним усилением фототока, с коэффициентом лавинного умножения фоте тока, лежащем в пределах 1000 - 1200. Малые величины потенциального барьера и кон

iKTiroro переходного сопротивления в структуре силицид РЗМ - nSi позволяют исполь-эвать их в качестве низкоомных контактов к кремнию п - типа проводимости и пленоч-ых токоведущих соединительных дорожек между элементами интегральных схем.

Практическое значение работы заключается также в возможности использования олучешшх сведений о фундаментальных параметрах кремниевых МДП-спстем при азработке приборов с применением диэлектрических пленок оксида самария и йтгербня. [зученные электрические и фотоэлектрические свойства МДП-структур на основе пле-ок ОРЗЭ указывают пути создания на основе исследованных диэлектрических пленок ктивных и пассивных элементов интегральных схем, в частности МДП-варикапов и фо-оварикапов просветляющих и пассивирующих покрытий кремниевых фотоэлектрнче-ких приборов.

Обнаруженный в МДП - структурах на основе пленок оксидов и фторидов редко-емельных элементов эффект бистабильного переключения проводимости с памятью и сплового переключения открывает возможности для создания на основе этих пленок лементов постоянной репрограммируемой памяти с малыми энергиями переключения и ысоким быстродействием (Рожков В .А., Шалимова М.Б., Романенко H.H. Элемент [амяти. АС № 1585834 15.04.90 г. Приоритет от 1.11.88 г. по заявке № 4601805).

Использование пленок фторидов РЗЭ в качестве диэлектрических покрытий по-воляет уменьшить оптические и рекомбинационные потери в кремниевых фотоэлектри-еских приборах, увеличить фототок короткого замыкания полупроводниковых фотопре-|бразователей и создать более эффективные фоточувствительные приборы.

Основные положения, выносимые на защиту: . Свойства и характеристики поверхностно-барьерных диодов на основе контактов р-кремний - редкоземельный металл и р-кремний - силицид редкоземельного металла соответствуют свойствам и характеристикам почти идеальных барьеров Шоттки. В области обратных электрических полей (1,6-3,0)-105 В/см зависимости коэффициентов ударной ионизации электронов и дырок от напряженности электрического поля в кремнии для ПБД на основе контакта p-Si - РЗМ описываются теоретическими зависимостями Бараффа, а коэффициент ударной ионизации электронов почти на порядок превышает коэффициент ударной ионизации дырок.

Экспериментально - определённые величины высот потенциального барьера на контакте РЗМ - р - кремний и силицид РЗМ - р - кремний, равные 0,79 - 0,8 эВ и 0,73 -0,75 эВ соответственно и их независимость от типа редкоземельного металла. Механизм формирования плёнки дисилицида редкоземельного элемента на поверхности кремния в процессе его термообработки, состоящий в диффузии атомов кремния в плёнку РЗМ и твёрдотельной химической реакции между атомами кремния и РЗМ. !. Механизм и теоретическая модель электрического пробоя пленок оксидов РЗЭ в кремниевых МДП-структурах, состоящий в накоплении под действием электрического поля электрического заряда критической величины вблизи поверхности диэлектрической пленки и достижении в этой области электрического поля, величина которого соответствует значению напряженности поля пробоя диэлектрика. I. Параметры энергетической зонной диаграммы МДП-структур с диэлектрическими пленками из оксида самария, иттрия, лютеция и иттербия, определенные методом внутренней фотоэмиссии электронов из металла или полупроводника в пленку диэлектрика. Экспериментально установленные параметры активных центров захвата заряда в диэлектрических слоях из оксидов самария и иттербия, которые сосредоточены поч-

ти в середине запрещенной зоны диэлектрика, а центроид их заряда располагается центре диэлектрической пленки.

5. Закономерности и физическая модель накопления заряда в диэлектрической пленке и SnbCb, Gd203, Dy203 и УЬ203 кремниевых МДП-структур при одновременном дейст вии света и электрического поля, состоящая в фотоинжекции электронов из контакт, или межзонной фотогенерации носителей заряда и захвате их на глубокие ловушю пленки оксида РЗЭ.

6. Результаты экспериментального исследования эффекта электрического переключени проводимости с памятью в МДП и МДМ структурах с пленочными оксидами и фтори дами РЗЭ. Закономерности эффекта термического переключения проводимости в дан ных структурах. Физическая модель низкоомного состояния МДП - структур с фтори дами РЗЭ в качестве диэлектрика, в соответствии с которой структура в иизкоомиог состоянии может рассматриваться как слоистая система металл - туннельно тонки) диэлектрик - полупроводник.

7. Закономерности усиления фототока и зависимость величины фогочувствителыгосп кремниевых МДП - структур с фторидами РЗЭ от состояния поверхности кремния по еле переключения. Эффекты просветления и пассивации поверхности кремния с по мощью пленок оксидов РЗЭ, состоящие в уменьшении коэффициента отражения свет и в снижении скорости поверхностной рекомбинации носителей заряда соответствен но при нанесении на поверхность кремния пленки из оксида РЗЭ.

Полученная совокупность результатов исследований, включающая новые законо мерности физических явлений в полупроводниковых слоистых структурах на ochobi пленок редкоземельных элементов и их соединений (силициды, оксиды, фториды), но вые физические эффекты, новые базовые контактные материалы (редкоземельные эле менты, силициды редкоземельных элементов), новые базовые тонкопленочные диэлек трические материалы (оксиды и фториды редкоземельных элементов), новые полупро водниковые приборы на их основе свидетельствуют о том, что итогом работы явилоа решение крупной научно-технической проблемы физики полупроводников и дн электриков, полупроводниковой электроники и микроэлектроники - исследовани: электрофизических свойств полупроводниковых слоисто - неоднородных систем с плен ками из редкоземельных элементов, а также силицидов, оксидов и фторидов на их осно ве.

В результате решения этой научной проблемы были установлены новые законо мерности в зависимостях электрофизических свойств полупроводниковых структур, Kai от внешних воздействий, так и от их внутренних параметров, новые физические эффек ты, наблюдающиеся при различных внешних воздействиях (температура, электрически поле, электромагнитное излучение и т.д.), при изменении используемых материалов i технологических процессов, а также при изменении внутренних параметров исследован ных полупроводниковых систем, созданы новые типы полупроводниковых приборов i элементов интегральных схем, обладающие улучшенными параметрами и характеристи ками по Сравнению с известными устройствами аналогичного назначения, что имее-важное народнохозяйственное значение. Указанная проблема была сформулирована i решалась в ходе выполнения ряда госбюджетных и хоздоговорных НИР и ОКР. Основ ные результаты диссертации использованы, внедрены и будут использоваться в даль нейшем на предприятиях "НИИ Волга", г. Саратов, ЦСКБ г. Самара, ГНПО "Квант", г Москва, ГНПО "ЗИМ", г. Самара, "КБАС", г. Самара, "НИИМФ СГУ", г. Саратов.

Материалы диссертации использованы в разработанных и прочитанных лекцпон-,1х курсах "Физика полупроводниковых приборов", "Микроэлектроника", Микроэлектроника", "Физика поверхностных явлений в полупроводниках".

Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы докла-лвались на Второй Всесоюзной конференции по микроэлектронике (Москва, 1970 ),Межведомственном научно-техническом совещании по метрике полупроводниковых руктур (Саратов, 1970 г.), 1У Всесоюзном совещании по электронным явлениям на по-:рхности полупроводников (Киев, 1971 г.), Всесоюзной конференции "Основные задачи тероэлектроники и области ее применения" (Москва, 1972 г.), УПсопсщашш по редко-мельным металлам, сплавам и соединениям (Москва, 1972 г.), 1 Всесоюзной конферен-ш по синтезу и исследованию термостойких материалов на основе окислов металлов лев, 1972 г.), семинаре по исследованию условий получения и физических свойств 1нких пленок (Институт проблем материаловедения АН УССР, Киев, 1972 г.), 3 Всесо-зной конференции по микроэлектронике (Львов, 1975 г.), 1У Всесоюзном совещании ) физике поверхностных явлений в полупроводниках (Киев, 1977 г.), 2 Республикан-:ой конференции по фотоэлектрическим явлениям в полупроводниках (Одесса, 1982 г.), Всесоюзной конференции "Неорганические стекловидные материалы и пленки на их :нове в микроэлектронике" (Москва, 1983 г.), "Пути повышения стабильности и надёж-)сти микроэлементов и микросхем" (Рязань, 1984 г.), 8 Всесоюзном совещании "Физика жерхностных явлений в полупроводниках" (Киев, 1984 г.), 2 Всесоюзной конференции Структура и электронные свойства границ зерен в металлах и полупроводниках" 1оронеж, 1987 г.), 9 Всесоюзном симпозиуме 'Электронные процессы на поверхности и тонких слоях полупроводников' (г.Новосибирск, 1988 г.), Всесоюзной школе по акту-[ьнмм вопросам физики и химии соединений на основе РЗЭ (г. Красно->ск, 1989 г.), 5 Всесоюзной конференции по физике и химии редкоземельных полупро-»дников (г. Саратов, 1990 г.) Всесоюзной научной конференции "Состояние и перспек-1вы развития микроэлектронной техники" (Минск, 1985 г.), XII Всесоюзной научной шференции по микроэлектронике (Тбилиси, 1987 г.), IV Всесоюзной конференции по пике и химии редкоземельных полупроводников (Новосибирск, 1987 г.), Всесоюзной »нференции по физике диэлектриков. Секция "Электрофизика слоистых структур", Ъмск, 1988 г.), Х1У конференция по тепловой микроскопии (Воронеж, 1992 г.), Рос-1йской научно - техннч. конференции по физике диэлектриков с международным уча-ием "Диэлектрики-93" (Санкт-Петербург, 1993 г.), конференции "Проблемы и при-[адные вопросы физики" (Саранск, 1993 г.), Российской научно - техиич. конф. Новые ггериалы и технологии. (Москва, 1994 г.), Международной научно - техиич. шференции по физике твердых диэлектриков "Диэлектрики - 97" (Санкт - Петербург, '97 г.), 5 International Conference on Conduction and Breakdown in Solid Dielectrics, 1995, îicester, England, Международной конференции "Центры с глубокими уровнями в полу-юводниках и полупроводниковых структурах" (Ульяновск, 1997 г.), The Dielectrics )ciety 28"' Annual Conference Charges in Solid Dielectrics (Darwin College, University of ent at Canterbury, England, 1997), IX Международной школе-семинаре Электродинамика техника СВЧ и КВЧ (Самара, 1997 г.), Второй Всероссийской научно-технической шференции с международным участием "Электроника и информатика-97" (Зеленограл-осква, 1997 г.), научно-техническом семинаре "Шумы и деградационные явления в по-'проводниках" (Москва, 1997 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликована 141 печатная работа, том числе 76 статей и докладов на конференциях, 61 тезисов докладов на научнс технических конференциях, симпозиумах, совещаниях, семинарах, получены 1 авторскс свидетельство и 1 положительное решение на изобретения.

В выполнении работ по теме диссертации принимали участие А.И. Петров, А.К Трусоаа, М.Б. Шалимова, Е.А. Милюткин, защитившие кандидатские диссертации по руководством автора. Постановка задач, выбор методов их решения, обоснование мете дик эксперимента, часть полученных экспериментальных результатов, анализ получе! ных теоретических и экспериментальных результатов всех работ, выполненных в coai торстве, принадлежат лично автору диссертации.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 3 разд( лов, в которые входят 16 глав, заключения и основных выводов, и списка используемы источников. Общий обьем диссертации составляет 548 машинописных страницы мапи полисного текста, включая 251 рисунок и 57 таблиц на 220 страницах и список испол! зуемых источников, содержащий 516 наименований и изложенный на 51 странице.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и решенной проблемы диссертацио] ной работы, сформулированы цель и основные задачи исследований, указаны новизн; научная и практическая важность результатов работы, приведены основные положенн: выносимые на защиту.

В первой главе "Общая характеристика и свойства редкоземельных элементе! раздела 1 "Контакты редкоземельный металл - кремний, силицид редкоземельного м< талла - кремний и поверхностно - барьерные диоды на их основе" рассмотрены обща характеристика, атомные массы, конфигурация внешних электронов, ионные радиусь кристаллическая структура и параметры элементарных ячеек РЗЭ. Анализируются экеш риментальные данные о физических свойствах РЗЭ таких, как температура плавлени плотность, температурный коэффициент расширения, давление.

Вторая глава "Контакты редкоземельный металл - кремний и поверхностно барьерные диоды на их основе" раздела 1 посвящена описанию технологии изготовлю ння экспериментальных образцов, методик исследования кристаллической структурь фазового состава, морфологии поверхности, переходной области контактов, измерени электрических и фотоэлектрических характеристик образцов и измерительных устанс вок. В ней приводятся также результаты исследования электрических свойств контакте редкоземельный металл-кремний и поверхностно - барьерных диодов на их основе от сываются фотоэлектрические свойства, характеристики и параметры поверхностно барьерных структур на основе контакта РЗМ - p-Si в вентильном и фотодиодном режим! а также в условиях лавинного усиления фототока.

Поверхностно-барьерные диоды, свойства которых исследовались, изготавливг лнсь на основе контакта р-кремния с некоторыми наиболее устойчивыми и перспектш нымн РЗЭ, в качестве которых были выбраны самарий, гадолиний, диспрозий, лютеций иттрий. Пленка редкоземельного металла диаметром 250 - 850 мкм получалась термичс ским распылением РЗЭ из молибденовой или танталовой лодочки на специально не пс догреваемые подложки через трафарет в вакууме 5-10'6 Тор.

С целью изучения электрофизических свойств границы раздела РЗМ-Si и силици РЗМ-Si исследовались вольтамперные и вольтфарадные характеристики, их зависимост от температуры, а также спектральные зависимости тока фотоэмиссии дырок из контакт

кремний. Вольтамперные (ВАХ) и вольтфарадные характеристики (ВФХ) ПБД с РЗМ их силицидами измерялись в температурном интервале 77 - 300 К.

В этой главе также показано, что ПБД для всех используемых РЗМ в контакте с р-ремнием близки к идеальным барьерам Шотгки. ВАХ изучаемых структур проявляли ильную униполярность с коэффициентом выпрямления, лежащем в интервале 105-106. [рямые ветви ВАХ, построенные в координатах Inj от V с учётом падения напряжения в бъёме полупроводника линейны и при постоянной температуре описываются зависимо-гыо: J=Js[exp(qV/kT)-l], где Js- величина обратного тока насыщения, q-заряд элек-рона, k-постоянная Больцмана. Вольтамперные характеристики ПБД с различными РЗМ области прямых смещений практически сливались между собой. Коэффициент идеаль-ости для различных диодов лежал в пределах п = 1,05 - 1,13. Пробой диодов происхо-ил по лавинному механизму с пробивными напряжениями близкими к теоретическому ределуУпр= 140- 180 В.

Уменьшение температуры образца приводит к снижению величины протекающе-э тока, однако, зависимости сохраняют прямолинейный вид. На температурных зависи-;остях тока наблюдаются два линейных участка с различными значениями температурой энергии активации, равными 0,61 эВ и 0,1 эВ для температурных интервалов 275-73К и 140- 260 К соответственно. Представленная совокупность экспериментальных анных свидетельствует о том, что к исследуемым контактам в области комнатных тем-ератур применима теория термоэлектронной эмиссии.

Тремя независимыми методами, из ВАХ, ВФХ и спектральных зависимостей фо-отока Фь определены величины высот потенциальных барьеров на контакте редкозе-¡ельный металл - кремний р - типа проводимости. Основные параметры ПБД, опреде-ённые различными методами, приведены в таблице 1.

Таблица 1

ПБД <pM ,ЭВ n Фь из ВАХ, эВ Фь из ВФХ, эВ Фь из Jj,(hv), эВ

Gd- Si 3,07 1,07- 1,13 0,8+0,03 0,87+0,02 0,81

Dy- Si 3,25 1,05-1,10 0,78+0,02 0,93±0,03 0,79

Lu- Si 3,14 1,05- 1,08 0,78+0,02 0,86+0,02 0,79

Y- Si 3,3 1,05- 1,11 0,77±0,03 0,85+0,03 -

5m- Si 2,7(3,2) 1,10 0,78±0,02 0,91+0,02 -

ангенс угла наклона температурной зависимости тока даёт величшгу энергии активации, авную 0,61 эВ, что соответствует значению высоты энергетического барьера на контак-е в 0,81 эВ.

Как показали измерения, обратные ветви ВАХ всех исследованных диодов Шотт-и характеризуются насыщением величины обратного тока с напряжением как в темноте, ак и при освещении и качественно подобны аналогичным характеристикам кремниевых ютодиодов на основе контакта металл - полупроводник или с р - п переходом. Зависи-юсти тока короткого замыкания ^з от интенсивности освещения линейны вплоть до ровней подсветки I = 85 мВт/см2, а световые характеристики напряжения холостого хо-а Ухх описываются логарифмическим законом. Предельные величины ЭДС холостого ода составляют Ухх = 0,54 В для поверхностно - барьерных диодов на основе контак-ов Ос1 - и Ьи - Эк Данное значение совпадает с величиной диффузионного потенциала а контакте РЗМ - кремнии, полученной из высоты потенциального барьера, которая оп-еделялась методами ВАХ и спектральных зависимостей фототока.

Спектральная чувствительность поверхностно - барьерных фотодиодов с различ ными РЗМ в вентильном режиме на длине волны X = 0,63 мкм лежит в пределах 511Л = 0,15 - 0, 25 А/Вт, что соответствует значениям квантовой эффективности 30 - 50 %. При ложение обратного смещающего напряжения приводит к возрастанию величины фотото ка в ПБД на основе гадолиния и диспрозия, при этом значения спектральной чувстви телыюсти составляют 5 = 0,46 А/Вт 0,3 А/Вт соответственно и не изменяюта

с напряжением при У> 1 В. В этом случае величины квантовой эффективности состав ляют 90 % и 60 % для диодов на основе контактов йс! - и Б у - рБ) соответственно Спектральная чувствительность ПБД на основе лютеция и иттрия практически не зави сит от величины обратного напряжения.

При освещении структуры с контактом из лютеция диаметром 1 мм лазерные излучением с мощностью 1 мВт и длиной волны 0,63 мкм возникают электрически! сигналы с Ухх ~ 0,52 В и Зкз ~ 2,7-10"4 А. Определенная из нагрузочной характеристик) величина КПД при оптимальном значении нагрузочного сопротивления Яц = 2 кОм дос тигает значения т] = 9,3 %. При этом коэффициент заполнения составляет Кз = 0,65.

При фотовозбуждении носителей излучением из области собственного поглоще ния кремния напряжение возникновения лавины зависит от интенсивности света, а кван товая эффективность структур в режиме лавинного умножения фототока существешк возрастает. Для структур на основе диспрозия, лютеция и иттрия величина напряжение пробоя в области малых интенсивностей света сильно уменьшается при увеличенш мощности излучения с насыщением для высоких уровней освещения^ Зависимость про бивного напряжения Уп1>ф от мощности падающего излучения Р (мВт) с точностью н< хуже 5 % аппроксимируется следующей эмпирической формулой:

у ф

(1)

где Vя/ - темновое значение напряжения пробоя, коэффициент А = 53 В Р0 = 1 мВт.

Спектральная чувствительность фотодиодов Оу - 81 при освещении образцов мо нохроматическим излучением ( X = 0,63 мкм ) с мощностью 0,25 мВт в обласп лавинного умножения фотоноснтелей составляла 75 А/Вт, а коэффициент усиле ния фототока равнялся 500 при напряжении 110 В. Для ПБД на основе контактов Ьи рБ1 и У -рЭ! достигнутые значения коэффициента умножения фототока составляли Мф = 1200 и Мф = 1000 соответственно. Основные фотоэлектрические параметры исследован ных фотодиодов приведены в таблице 2. Приведенные данные сопоставимы с лучшим! значениями параметров фотоэлектрических диодов на основе кремниевых р - п пере ходов.

Анализ экспериментальных результатов показывает, что полевые зависимости ко эффициентов ударной ионизации электронов а„ и дырок ар в области полей Е = (1,6 3,0)-105 В/см могут быть аппроксимированы следующим соотношением:

а„.п = А„уехр(,-Вп,р/Е), (2)

гдеЛ„ = 7^4105см'1, В„ = 1,2-10* В-см"1, Ар= 1,45-105см-', Вр = 2,0-Ю6 В-см'1. Полученные результаты соответствуют теоретическим зависимостям Бараффа и удовле творительно согласуются с данными, определенными при изучении кремниевых р-п пе реходов.

Таблица 2

ПБД Гх/т\ В йи, А/Вт А/Вт 7, % МФ К3

са - 0,54 0,23 0,46 7,6 - 9,6 30 0,65

Бу-Б! 0,52 0,15 0,3 - 500 -

Ьи - 81 0,54 0.25 0,25 8,5 - 9,3 1200 0,66

У - 0<51 - 0.40 - 1000 -

В третьей главе «Тонкопленочные силициды ГЗМ и кремниевые поверхностпо->арьерные диоды на их основе» раздела 1 изложены результаты исследования процессов формирования, кристаллической структуры, поверхностной морфологии тонкоплёноч-1ых силицидов редкоземельных металлов на поверхности кремния, электрических и фо-•оэлектрических свойств поверхностно - барьерных диодов на основе коетакта силицид >едкоземельного металла - кремний. Как показали исследования, реакция в твёрдой фазе 1ежду кремнием и редкоземельным металлом имеет характерную критическую темпера-уру. Ниже этой температуры Т=623-673К скорость реакции является чрезвычайно малой I образования силицида не наблюдается в течение нескольких часов. Дисилициды дис-|розия, гадолиния и иттрия, полученные в результате термообработки плёнки РЗЭ в ва-гууме при температуре 723К в течение 30 минут, имеют структуру а-Сс^г. После отжига шенки лютеция на рентгенограмме присутствуют дифракционные максимумы дисили-щднон фазы Ь^г структуры А1В2.

Профили концентраций диспрозия и кремния в структурах Ву512- кремний, полу-юнные методом Оже - электронной спектроскопии, подтверждают наличие фазы днеи-тцида диспрозия. Оже спектры показывают расщепление ЬУУ - линии кремния, обу-ловленное химическим взаимодействием и характерное для кремния в силицидах. Вид-ю также, что граница раздела силицид- кремний не является резкой: существует доволь-ю протяжённая область между силицидом и кремнием с переменной концентрацией |беих компонент.

Низкие значения сопротивления и высокая механическая прочность плёнок сили-щдов РЗМ свидетельствуют о перспективности использования их для создания барьеров Потгки, контактов и токоведущих дорожек в интегральных схемах. Как показали иссле-¡ования, электрические характеристики ПБС на основе контакта силицида РЗМ с р-ремнием соответствуют почти идеальному барьеру Шоттки. ВЛХ диодных структур [меют сильно униполярный вид с коэффициентом выпрямления Ю4 - 105 . Прямые ветви !АХ, построенные в координатах 1п I от V прямолинейны, а коэффициент идеальности ¡йодов лежит в пределах 1,06 -1,09. Вольтфарадные характеристики ПБС, измеренные ¡а частоте 300 кГц, линейны в координатах 1/С2 от V, что указывает на равномерное рас-|ределение ионизированных примесей и отсутствие подлегирования приповерхностной 'бласти полупроводника в процессе формирования силицида.

Спектральные зависимости фототока короткого замыкания ПБС с некоторыми илицидами РЗМ, соответствующие области фотоэмиссии дырок из силицида в кремний, юдчишиотся закону Фаулера. Значения высоты потенциального барьера на контакте с :ремнием р- типа, определённые из ВАХ, ВФХ и спектральных зависимостей фототока, [риведены в таблице 3. Видно, что на контакте дисилицида РЗМ с р-кремнием реализу-этея высокие значения потенциального барьера (ФЬр=0,73-0,75 эВ), которые практически 'динаковы для силицидов различных РЗМ. Величины высоты барьера, полученные из

фотоэлектрических зависимостей и ВФХ, хорошо согласуются между собой, что свидетельствует об отсутствии диэлектрического зазора для этого типа контактов.

Таблица 3

Контакт Фь из ВАХ Фь из ВФХ Фь из 1ф(Т)С0) Фьп+Фьр

эВ

- 0,41 - 1,16

0(18)2-р81 0,67 0,75 0,74

Ву812-п81 - 0,35 - 1,10

БуБЬ^! 0,68 0,75 0,75

Ьи5ъ-п81 - 0,40 - 1,15

0,68 0,75 -

УБь-^ - 0,41 - 1,14

0,66 0,73 -

Вольтамперные характеристики структур на основе контакта дисилицида РЗМ с кремнием п-типа проводимости при комнатной температуре соответствуют омическим Величина переходного контактного сопротивления Кк, измеренная методом переходного контактного сопротивления, для дисилицидов гадолиния и диспрозия лежит в пределах (0,5 - 1,0)-10 "4 Ом •м . Высота потенциального барьера, определённая из ВФХ составляет величину ФЬп=0,35-0,41 эВ. Экспериментальные результаты для величин контактного сопротивления удовлетворительно согласуются с расчётными значениями при Фь=0,40 эВ I в 10-50 раз ниже значений Як, полученных для системы алюминий - п - кремний.

Первая глава "Получение и свойства пленок оксидов редкоземельных элементов" раздела 2 посвящена описанию технологии изготовления экспериментальных образцов МДП-структур с оксидами редкоземельных элементов в качестве диэлектрика и результатов особенностей структуры тонкопленочных оксидов РЗЭ. Пленки оксидов ОРЗЭ были изготовлены термическим окислением пленок РЗЭ, предварительно напыленных вакуумным термическим испарением. Окисление пленок РЗЭ производилось в большинстве случаев на воздухе или в потоке сухого кислорода при температуре 500-550°С. Высокая химическая активность РЗЭ к кислороду обеспечивает полное окисление пленок г течение 30 минут и приводит к формированию полугорных оксидов РЗЭ стехиометриче-ского состава. Этот метод позволяет получать поликристаллические пленки ОРЗЭ достаточно хорошего качества равномерные по толщине и электрофизическим свойствам. Размер кристаллов, оцененный по уширению дифракционных линий был порядка 10-10С нм. Структура пленок оксидов РЗЭ не зависит от структуры и субструктуры исходной металлической пленки.

Вторая глава - "Электрические свойства пленок ОРЗЭ и МДП-структур на их основе" раздела 2 посвящена описанию результатов исследования электропроводное™ кремниевых МДП-структур с диэлектрическими пленками из оксидов РЗЭ, зависимостей их активной составляющей проводимости, тангенса угла диэлектрических потерь {£5 не переменном сигнале (1 МГц) от напряжения, а также явления отрицательного сопротивления, наблюдаемого в этих структурах.

Установлено, что пленки оксидов РЗЭ обладают высокими изолирующими свойствами, величины удельного сопротивления составили 1014 - 1015 Ом-см. Коэффициент выпрямления для различных образцов лежал в пределах К=1,1 - 2 Температурна* энергия активации проводимости монотонно уменьшается от 1,1-1,3 эВ до 0,86-0,9 эВ с

эостом электрического напряжения от 2 до 5 В, а электропроводность в кремниевых МДП-структурах удовлетворительно описывается механизмом Пула-Френкеля. Исследо-заны кинетические характеристики тока для кремниевых МДП-структур с диэлектрическими пленками ОРЗЭ. Проведенные экспериментальные исследования и анализ релаксационных характеристик тока, которые имели гиперболический вид, показали, что наиболее вероятным процессом, обусловливающим релаксацию тока, следует считать накопление заряда вблизи блокирующего электрода. Кинетические зависимости тока хорошо эписываются в рамках модели эстафетного переноса носителей заряда.

Значения tg8 в темноте для различных структур при различных напряжениях лежат в пределах от 0,03 до 0,18 и существенно не изменяются при освещении. При исследовании электропроводности кремниевых МДП-сгруктур на основе окислов РЗЭ было обнаружено и нзучено явление отрицательного сопротивления Э-типа, наблюдаемое при измерении прямой ветви ВАХ. Изучена кинетика переключения структуры из высокоом-иого в низкоомное состояние. Переключение наблюдалось с некоторым запаздыванием, время которого экспоненциально уменьшалось с ростом амплитуды импульсного напряжения. Минимальное время переключения для исследованных структур составляло 0,3 мкс. При смещении структуры в область напряжений, соответствующих появлению участка отрицательного сопротивления, наблюдались высокочастотные колебания тока релаксационного типа с частотой Г=0,2-0,5 МГц и амплитудой до 3 В. Объяснение экспериментальных результатов связывается с явлением шнурования тока при переключении в низкоомное состояние, сопровождающимся выделением значительного количества джо-улева тепла.

Третья глава " Характеристики электрического пробоя пленок ОРЗЭ в кремниевых МДП-структурах" раздела 2 содержит результаты комплексного исследования закономерностей электрического пробоя пленок оксидов РЗЭ в кремниевых МДП-структурах. .

Наиболее важную кинетическую характеристик}' пробоя получали из измерений напряжения пробоя Упр или времени до пробоя х в зависимости от скорости роста приложенного напряжения или величины напряжения соответственно. Кинетическая характеристика измерялась в широком интервале изменения (до 6-7 порядков) величины скорости роста линейно-нарастающего напряжения, в интервале температур Т=77-450 К, в атмосферных условиях и уровне вакуума 5-Ю'2 Тор.

Установлено два участка на кинетической характеристике пробоя. На первом участке, при малых скоростях нарастания напряжения Ку, поле пробоя линейно увеличивается с ростом логарифма Ку и пробой имеет кинетический характер, который связан с накоплением критического заряда в приконтактной области диэлектрика. На втором участке, при больших значениях Ку величина электрического поля пробоя перестает зависеть от Ку и пробой носит "критический" характер. Величина поля пробоя на этом участке возрастает с уменьшением толщины диэлектрика. Величина пробивного поля линейно уменьшается с ростом температуры окружающей среды, причем наклон температурной характеристики снижается с увеличением скорости роста приложенного напряжения.

Время задержки пробоя при приложении к структуре прямоугольного ступенчатого напряжения экспоненциально уменьшается с возрастанием величины электрического поля и температуры. Предложена теоретическая модель электрического пробоя пленки оксида РЗЭ для области скорости роста пилообразного напряжения 10-Ю5 В/с. Показано, что развитие пробоя состоит из подготовительной стадии, связанной с накоплением в ди-

электрике критического заряда, при превышении которого пробой переходит в быструк фазу собственного пробоя диэлектрика. Показано, что время задержки пробоя т и напряженность электрического поля пробоя Ев удовлетворительно описываются соотношениями:

»р(лес)-1 ехрГ£,-«0, (3)

AJ. Ч кТ )

+ (4)

аси а

где к - постоянная Больцмана; Т- температура окружающей Среды; ё - толщина диэлектрика; А -=сс/кТСкс1, Ск - удельная емкость контактной области, Ке=-с1Е/с!1 - скорость роста напряженности электрического поля в диэлектрике.

Четвертая глава " Электрофизические свойства границы раздела кремний - оксщ редкоземельного элемента" раздел 2 содержит результаты исследования свойств границь раздела кремний - оксид РЗЭ и влияния технологии изготовления диэлектрических пле нок ОРЗЭ на электрические характеристики МДП - структур. Методом вольтфарад ных характеристик МДП-структур изучены свойства границы раздела кремний - оксщ РЗЭ. Плотность поверхностных состояний при напряжении плоских зон ^эив. удельна; емкость диэлектрика Суд, крутизна С - V характеристики 8, эффективная плотность по верхностных состояний | с^з/йЧ'з I в МДП-структурах с оксидами РЗЭ приведены I таблице 4. Показано, что указанные структуры обладают высокими значениями удельно! емкости (Суд= 0,03 - 0,05 мкФ/см2) и коэффициента перекрытия емкости (К=4-6), хоро шей добротностью ^5=0,04-0,16). Удельная емкость диэлектрика и коэффициент пере крытия емкости для исследованных образцов более чем в 3 раза превосходят такие ж< параметры широко распространенных аналогичных кремниевых МДП-систем с диэлек триком из двуокиси кремния.

Установлено, что исследованные образцы проявляют удовлетворительные фотова ракторные свойства при освещении структур белым светом. Коэффициент перекрытш емкости по свету для МДП-структур с диэлектрической пленкой из оксида самария со ставил 2,5 и 4 при уровнях освещенности, равных 4,3-103 и 3-Ю4 лк соответственно. Дл: структур с оксидом иттербия этот параметр равнялся 1,5 и 3.

Методом кинетических зависимостей МДП-емкости исследовано качество грани цы раздела кремний- оксид РЗЭ. Рассчитанные из этих зависимостей значения скорост! поверхностной генерации для различных образцов лежали в пределах 20 50 см/с и 11-60 см/с для структур с оксидом самария и иттербия соответственно. Полу ченные значения скорости поверхностной генерации в исследуемых структурах бола чем на порядок меньше аналогичного параметра кремниевых МДП-структур с термиче ским оксидом кремния в качестве диэлектрика. Установлено, что наилучшими электри ческими характеристиками обладают пленки, изготовленные термическим окислениек металлических слоев РЗЭ в кислородосодержащен среде при температуре 500° С. Уста новлено, что в случае превышения световой генерации над темновой скорость релакса ции линейно зависит от интенсивности. Наблюдаемая высокая чувствительность релак сационных характеристик к свету из области собственного поглощения полупроводник; свидетельствует о перспективности использования исследованных структур в качеств! эффективных фотоприемников, позволяющих регистрировать слабые световые потоки (-Ю'ь Вт/см2). При низких температурах, когда термическая генерация носителей отсугст

вует прп малых интегральных дозах освещения показана возможность применять МДП -структуры в качестве интеграторов дозы светового излучения

__Таблица 4

Структура Суд мкФ/см Крутизна характеристик S=AC/AV (пФ/В) Плотность поверхностных состояний Nssfb(cm '2) Величина |dNss/d4-sl (см'2' В'1)

Al-Y203-Si 0.024-0,04 170-250 (1-2.5)10" 1,710"

Al-La203-Si 0,017-0,05 150-200 810ш-3 10" 3,210"

Al-Ce02-Si 0,07-0,12 300-400 810ш-1'10" -

Al-NdA-Si 0,05-0,08 500-600 (1-2)10" 101"

Ai-Sm203-Si 0,03-0,055 60-180 8 10'u-3i0" (3-3,6)Ю10

Al-EujOs-Si 0,03-0,068 125-200 (2-3) 10" (3-4)10"

Al-Gd203-Si 0,015-0,03 40-80 (1-2) 10й 10й

Al-Dy203-Si 0,04-0,07 120-350 (4-5) 10" Ю10

Al-Ho203-Si 0,03-0,05 100-200 (2-4) 10" -

Al-Er203-Si 0,03-0,04 200-300 (5-6)10" 10'"

Al-Tm203-Si 0,02-0,03 100-150 (2-3)10" 410"

Al-Yb203-Si 0,024-0,04 50-70 (2-3)10" (2,5-4)10"

Al-Lu203-Si 0,07-0,OS 60-100 (0-1,2)10" 6 10"

Пятая глава "Фотоэлектрические свойства кремниевых МДП-структур на основе пленочных оксидов РЗЭ " раздел 2 посвящена комплексному исследованию фундаментальных параметров энергетической зонной диаграммы кремниевых МДП - структур с оксидами РЗЭ в качестве диэлектрика, а именно определению высот энергетических барьеров на межфазных границах с диэлектриком. Приведены результаты изучения явления внутренней фотоэмиссии электронов из кремния или металла в диэлектрическую пленку. Из спектральных и вольтаических зависимостей фотоинжекционного тока определены высоты энергетических барьеров на межфазной границе с диэлектриком, значения которых сведены в таблицу 5.

Установлено, что при положительном напряжении на металлическом электроде наблюдается фотоэмиссия электронов из кремния. Дырочная эмиссия из металла в этом случае пренебрежимо мала положительного напряжения, т. к. при этой полярности смещения пороговая энергия фотонов не зависит от материала полевого электрода и при протекании фототока через диэлектрик захватывается отрицательный заряд на глубокие ловушки диэлектрика. При отрицательной полярности приложенного напряжения пороговая энергия фотонов зависит от материала полевого электрода, и в диэлектрическом слое также накапливается отрицательный заряд.

По сдвигу вольтаических зависимостей фотоинжекционного тока после облучения определены параметры электронных ловушек в диэлектрической пленке. Установлено, что диэлектрические пленки накапливают электрический заряд при облучении структур монохроматическим светом и одновременном воздействии внешнего поля. При'этом величина захваченного заряда монотонно увеличивается с ростом приложенного напряжения и времени облучения и имеет тенденцию к насыщению при больших временах облу-

-20_ _ _Таблица 5

Диэлектрик Высота потенциального барьера ем, эВ

А1 N1 п-Б1 р-Б1

ЗпъОз 2.88-2.91 3.28-3.33 2.69-2.71 2.70 -2.71

У203 3,3-3,4 3,7 - 3,8 3,8-3,85 3,8 -3,85

Ьи20 2,9 - 3,9 - 3,4 - 3,45 3,4

УЪ203 2,89 - 2.90 3,29 - 3,31 3,18-3,20 3,19-3,21

чения. Установлено, что величина захваченного в диэлектрике эффективного заряда на порядок меньше заряда, прошедшего через структуру. Построены энергетические зонные диаграммы исследованных МДП - структур.

Шестая глава "Исследование параметров активных центров захвата заряда в диэлектрических слоях из оксидов РЗЭ" раздела 2 посвящена определению "центроида" захваченного заряда, энергетической глубины залегания электронных ловушек в диэлектрической пленке, сечения захвата и плотности электронных ловушек, изучению распределения объемной плотности заряда, захваченного в диэлектрике при облучении структур монохроматическим светом с 11У<Ее, а также из области фундаментального поглощения диэлектрика.

Методом вольтаических зависимостей фотоинжекционного тока определены параметры захваченного заряда. Установлено, что фотоинжектированные электроны частично захватываются на глубокие центры диэлектрика, причем "центроид" захваченного заряда располагается вблизи середины диэлектрика при фотоинжекции электронов как из металла, так и из полупроводника. Сечение захвата и плотность электронных ловушек в диэлектрической пленке из оксида иттербия равны 3,5-10'19 см2 и 1,6-1012 см"2 соответственно.

При протекании фотоинжекционного тока через диэлектрик в структур А1-УЬ20з-и А1-8т20з-81 наблюдался захват части инжектированных электронов на глубокие центры диэлектрической пленки. Для определения энергетической глубины залегания электронных ловушек в диэлектрике использовался метод фотостимулированной деполяризации. Из спектральных зависимостей пика фототока установлено, что электронные центры захвата располагаются почти в середине запрещенной зоны УЬ203 и 8т20з, на расстоянии 2.4 - 2.7 эВ и 2.25 - 2.6 эВ соответственно от дна зоны проводимости диэлектрика. Величины плотности захваченного заряда в оксиде иттербия, рассчитанные из кинетических зависимостей фототока разрядки, лежали в пределах (1.8-1.9)-Ю"8Кл/см2.

По сдвигу вольтаических зависимостей фотоинжекционного тока до и после облучения структур монохроматическим светом получено пространственное распределение захваченного заряда в диэлектрической пленке вблизи межфазных границ раздела фаз Б1-ОРЗЭ, А1-ОРЗЭ при облучении структур А1-8т203-81 и А1-УЬ203-81 монохроматическим светом. Исследованы закономерности формирования заряда в ОРЗЭ кремниевой МДП-струкггуры при воздействии УФ-излучения. Установлено, что зависимости сдвига напряжения плоских зон от времени облучения имеют сублинейный вид. При больших временах облучения эти характеристики имеют тенденцию к насыщению. Проведенные исследования показывают также, что величина захваченного заряда и сдвига напряжения плоских зон пропорциональна приложенному к структуре напряжению. По мере накопления электрического заряда на ловушках в объеме диэлектрика исследованных структур напряженность электрического поля в пленке ОРЗЭ уменьшается, что приводит к насы-

щеишо величины накопленного заряда при больших временах облучения, что и наблюдалось экспериментально.

Накопленный при облучении заряд сохраняется в диэлектрике при комнатной температуре после выключения освещения и питающего напряжения практически без заметной релаксации более 2-х часов. "Центроид" захваченного заряда после облучения структур монохроматическим излучением с hv=5,21 эВ и hv=5,52 эВ в течение 60 минут для структур с оксидом самария и иттербия соответственно располагался на расстоянии 0,11 - 0,12 мкм и 0,125 - 0,13 мкм.

Рассмотренные эффекты свидетельствуют о возможности использования исследованных систем для создания на их основе приборов с репрограммируемой оптической записью информации и устройств визуализации УФ - изображений.

Седьмая глава "Эффект электрического переключения проводимости с памятью в МДМ- и кремниевых МДП - структурах с диэлектрическими пленками из ОРЗЭ" раздела 2 посвящена результатам исследования явлеши электрического переключения проводимости с памятью, обнаруженному в слоистых структурах с пленочными ОРЗЭ. Обнаружено, что МДП - структуры многократно переключаются из высокоомного ( 1010 - 1013 Ом) в низкоомное (10 - 10б Ом) состояние под действием электрического напряжения определенной полярности. В состоянии с высоким сопротивлением образцы имеют практически симметричные вольтамперные характеристики и характеризуются термической энергией активацией проводимости в десятые доли эВ. При превышении порогового напряжения, полярность которого соответствует обеднению поверхности полупроводника основными носителями заряда, происходит резкое (на 5 - 7 порядков) уменьшение сопротивления образца и переключение его в низкоомное состояние. В низкоомном состоянии МДП - структуры обладают униполярной ВАХ с коэффициентом выпрямления 102 - 103, при этом температурная энергия активации проводимости составляет сотые доли эВ. Переключение структуры в исходное (высокоомное) состояние осуществляется при противоположной полярности прикладываемого напряжения, когда величина тока через образец достигает значения 0,1-5 мА. Структуры воспроизводимо и многократно (более 103 раз) переключаются из одного состояния в другое и обратно как на постоянном, так и импульсном напряжении, причем оба состояния сохраняются при комнатной температуре и выключенном напряжении.

Проведенные исследования величины емкости МДМ- и МДП - структур до и после переключения, а также прямые оптические наблюдения показывают, что переключение имеет локальный характер и происходит по каналу в матрице диэлектрика с характерным размером около 1 мкм. Кинетическая зависимость времени задержки переключения из диэлектрического в проводящее состояние от величины приложенного к МДП - структуре напряжения подобна кинетической зависимости электрического пробоя.

Измерение температурных зависимостей сопротивления МДМ - структур в проводящем состоянии указывает на металлический характер электропроводности канала проводимости. Обнаружено явление теплового переключения из проводящего в диэлектрическое состояние, которое происходит при температуре 363 - 400 К. Установлено, что процесс переключения из низкоомного в высокоомное состояние обусловлен окислением металлического канала проводимости, состоящего из РЗЭ, при его нагреве. Показана перспективность использования исследованных структур в качестве электрических и тепловых переключателей и элементов репрограммируемой постоянной памяти.

В восьмой главе "Оптические свойства пленок оксидов РЗЭ и просветляющие покрытия на их основе для кремниевых фотоэлектрических приборов" раздела 2 описываются оптические свойства пленок ОРЗЭ, селективные просветляющие покрытия на их основе, а также рекомбинациошгае свойства кремния, пассивированного пленками ОРЗЭ. Как показали исследования, пленки ОРЗЭ обладают высоким значением коэффициентов пропускания Т=92-100 % в спектральной области 400-1200 нм. Нанесение просветляющей пленки из ОРЗЭ на поверхность кремния позволяет снизить коэффициент отражения монохроматического света с 34,7-37% для чистой поверхности кремния до 0,01-1,2% и практически исключить отражение света для различных длин волн излучения от поверхности полупроводника. Исследования спектральных зависимостей фототоков короткого замыкания кремниевых п+-р-р+ структур с просветляющими слоями из ОРЗЭ и без них подтвердили наличие эффектов просветления и пассивации поверхности кремния. Экспериментально показано, что применение пленок ОРЗЭ позволяет увеличить спектральное значение фототока короткого замыкания кремниевых фотоэлектрических преобразователей более чем на 50 % . Наибольшая величина просветляющего эффекта наблюдалась для слоев из оксида диспрозия, использование которого увеличивает фототек на 59,4 % при длине волны излучения равной 600 нм.

Исследования эффективного времени жизни и скорости поверхностной рекомбинации, проведенные методом релаксации фотопроводимости при освещении образцов прямоугольными импульсами света, показали регулярное увеличение эффективного времени жизни и снижение скорости поверхностной рекомбинации после нанесения пленки ОРЗЭ на поверхность кремниевой пластины. Сравнение полученных рекомбинационных характеристик показывает, что скорость поверхностной рекомбинации в системе ОРЗЭ на 1-2 порядка меньше аналогичного параметра в широко применяемых в полупроводниковой электронике структурах БьБЮз и ЗьБЮз^з^.

В девятой главе " Свойства кремниевых МДП-структур с оксидами, полученными высокотемпературным окислением РЗМ и МДП- структур с ОРЗЭ на основе германия и арсенида галлия " раздел 2 описаны свойства кремниевых МДП - структур с оксидами РЗЭ, полученными высокотемпературным окислением РЗЭ и МДП - структур с ОРЗЭ на основе германия и арсенида галлия. Показано, что пленки ОРЗЭ, полученные окислением при температурах от 1323 до 1593 К в течение короткого времени (< 30 мин) однородны по свойствам и толщине, имеют высокое удельное сопротивление и характеризуются хорошей адгезией к поверхности кремния и большим значением пробивного напряжения, чем структуры с двуокисью кремния, расположенные на одной и той же подложке. Эти структуры имеют плотность поверхностных состояний на границе раздела от Ю10 до 7-Ю11 см'2эВ"' и управляются малым постоянным напряжением. Вольтемкостные характеристики кремниевых МДП - структур на основе диэлектрических пленок оксидов РЗЭ, полученных длительным (более 0,5 ч) высокотемпературным (Т = 1423 К) окислением, имеют инверсионный вид. Данный результат указывает на изменение типа проводимости в приповерхностной области п - кремния на дырочную электропроводность, обусловленное диффузией в полупроводник РЗЭ, который является акцепторной примесью в кремнии. Исследованы коэффициенты диффузии РЗЭ в кремний и их зависимость от температуры. Показана перспективность использования редкоземельных элементов для формирования мелкозалегающих р - п переходов.

Методом вольтемкостных характеристик исследоваиы свойства границы раздела германий - ОРЗЭ, арсенид галлия - ОРЗЭ. Плотность поверхностных состояний при потенциале плоских зон в структуре Ge - У20з лежали в пределах (3 - 5)-101' см'2.

Первая глава "Получение пленок фторидов РЗЭ, слоистых структур на их основе и экспериментальные установки" раздела 3 посвящена описанию технологии изготовления экспериментальных образцов, методики измерения и измерительных установок. В качестве подложек для МДП - структур использовались пластины монокристаллического 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 ~ 10"5 Тор из молибденовой лодочки на установке типа ВУП-5.

Исследование электрофизических свойств МДП - структур в высокоомном и низ-коомном состоянии проводилось с помощью методов вольтемкостных и вольтамперных характеристик. Кинетические характеристики переключения из высокоомного состояния в низкоомное и обратно изучались в режиме подачи на структуру одиночного прямоугольного импульса напряжения. Фотоэлектрические измерения МДП - структур в низ-коомном состоянии проводились как в режиме стационарной подсветки, так и при освещении структур импульсами монохроматического излучения различной длительности с длиной волны равной 0,93 мкм.

Вторая глава "Основные характеристики явления переключения проводимости с памятью в кремниевых структурах с диэлектрическими пленками фторидов РЗЭ" раздела 3 посвящена описанию явления переключения проводимости с памятью в МДП - и МДМ - структурах на основе СеБз, DyF3, ErF3. Как показали исследования, МДП - структуры могут находиться в двух устойчивых состояниях с существенно различными значениями сопротивления и ВАХ. Изготовленные образцы находятся в состоянии с высоким сопротивлением (2+4)-10и Ом, пока электрическое напряжение, полярность которого соответствует обеднению поверхности полупроводника основными носителями заряда, не превысит некоторое пороговое значение Vn = 5-^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, высокоомное состояние осуществляется при противоположной полярности напряжения, когда величина тока через образец достигает значения 100 - 600 мкА.

Как показали исследования, ВАХ МДП - структур в диэлектрическом состоянии практически не зависели от полярности приложенного напряжения и хорошо спрямлялись в координатах Inj - V1'2, характерных для механизма Пула - Френкеля. Температурная зависимость тока данных структур в диэлектрическом состоянии характеризуется энергией активации - 0,5 - 0,8 эВ. В низкоомном состоянии исследованные МДП - структуры обладали униполярной ВАХ с коэффициентом выпрямления К = 10 - 104. В этом случае температурная энергия активации проводимости составляла 0,03 - 0,1 эВ.

Исследования показали, что вольтемкостные характеристики в высокоомном состоянии аналогичны по виду типичным высокочастотным вольтфарадным зависимостям МДП - структур с характерным насыщением емкости в области 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 V > 2 В, что связано с возникновени-

ем слоя частичной ииперсии 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 низкоомное состояние. Кроме того, экспериментальные данные показывают, что от полупроводниковой подложки проводящий канал в пленке фторида РЗЭ отделяется туннельно - тонким диэлектричеким слоем.

Проведенные опенки радиуса канала проводимости г по сопротивлению растекания полупроводниковой подложки показали, что обычными в рассматриваемом случае являются значения г =1 - 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 их металлической фазы.

Четвертая глава "Исследование свойств низкоомного состояния кремниевых МДП - структур с фторидами РЗЭ и обсуждение модели переключения" третьего раздела посвящена исследованию электрофизических характеристик низкоомного 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 данной главе также изложены результаты исследования фотоэлектрических свойств МДП - структур с пленками СеБз, ВуИз и ЕгРз в низкоомном состоянии. Как показали исследования, ВАХ и вольтфарадные характеристики МДП - структур с фторидами РЗЭ в низкоомном 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. На участке насыщения поверхностной концентрации неосновных носителей 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. Детальное исследование кинетических характеристик показало, что на осциллограммах фотоответа при включении и выключении освещения можно выделить участки емкостного и омического тока. Емкостный ток устанавливается за время, существенно меньшее времени и определяется наибольшим из времен пролета носителей в ОПЗ или ЯС.

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 = 49 и М„ = 34 для структур на основе кремния р - и п - типа соответственно.

В заключительной части данной главы описывается 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 исследован-

ных структурах. Проведенные исследования показывают, что если термическим 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.

Четвертая глава "Просветляющие и пассивирующие диэлектрические покрытия на основе фторидов РЗЭ для кремниевых фотоэлектрических приборов" раздела 3 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 им, 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 им 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 коэффициента спектрального отражения излучения II структуры. Минимальные величины II 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 - 37 %.

Также рассматривается влияние пленочных покрытий из фторидов РЗЭ на величину фототока короткого замыкания кремниевых п+ - р - р+ структур. Просветляющий слон создавался на половине площади структуры со стороны пт - области, чтобы можно было сравнить фотоответ от чистой и покрытой слоем фторида РЗЭ поверхности кремния. Из спектральных характеристик фототока короткого замыкания рассчитывалось значение относительного увеличения фототока при нанесении пленю). Как показали исследования, наибольшая величина просветляющего эффекта наблюдалась для слоев из фторидов неодима и эрбия, использование которых позволило увеличить фототок более чем на 50 %. Анализ показывает, что наблюдаемое увеличение спектральной чувствительности спектральной чувствительности исследуемых кремниевых структур при использовании пленочного покрытия из фторида неодима или эрбия более чем на 8 % 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.

Заключение содержит следующие результаты и выводы: 1. Изучен механизм электропроводности поверхностно - барьерных диодов на основе контактов редкоземельный металл - кремний и силицид редкоземельного металла -кремний. Установлено, что свойства поверхностно - барьерных структур с кремнием р -типа приводимости близки к идеальным барьерам Шоттки. Коэффициент идеальности для различных диодов Шоттки на основе контакта РЗМ - р - кремний лежал в пределах п = 1,05 - 1,13, а величина плотности обратного тока насыщения в темноте составляла 10"7 - 10"6 А/см2 при значении обратного напряжения в 10 В. Показано, что к исследуемым контактам в области комнатных температур применима теория термоэлектронной эмиссии. Методами вольтамперных, вольтфарадных характеристик, энергии активации и

спектральных зависимостей фототока определена высота энергетического потенциального барьера на контакте РЗМ - р - 81. Установлено, что высота потенциального барьера в ПБД для всех исследованных редкоземельных металлов практически совпадает между собой, не зависит от работы выхода электронов из РЗМ и составляет 0,79 - 0,8 эВ. Из анализа вольт - фарадных характеристик установлено, что в области контакта РЗМ -

о

ПБД существует промежуточный переходной диэлектрический слой с толщиной ~ 25 А и плотностью поверхностных состояний, лежащей в пределах от 3,9-10" до 1,1-10и эВ"'см"2. Показано, что высота потенциального барьера на контакте р - кремния с редкоземельным металлом, в основном, определяется состоянием поверхности полупроводника.

2.Исследованы фотоэлектрические свойства ПБД на основе контакта РЗМ -р - кремний при освещении их светом из области межзонного поглощения кремния в фотодиодном и вентильном режимах. Установлено, что зависимости тока короткого замыкания от интенсивности освещения линейны вплоть до уровней подсветки равных 85 мВт/см2, а световые характеристики ЭДС холостого хода описываются логарифмическим законом. Предельные величины ЭДС холостого хода составляют 0,54 В для поверхностно - барьерных фотодиодов на основе контактов вс! -рБ! и Ьи -рБк Показано, что спектральная чувствительность ПБД с различными РЗМ в вентильном режиме на длине волны О.бЗмкм лежит в пределах 0,15 - 0, 25 А/Вт, что соответствует значениям квантовой эффективности 30 -50 %. В фотодиодном режиме при напряжении большем 1 В значения спектральной чувствительности составляют 0,46 А/Вт и 0,3 А/Вт, а величины квантовой эффективности достигают величин равных 90 % и 60 % для диодов на основе контакта вс! - рБ! и Бу - соответственно. Обнаружено, что поверхностно - барьерные структуры с РЗМ обладают высокой эффективностью преобразования световой энергии в электрическую с КПД, достигающем значения 9,3 %, при оптимальной величине нагрузочного сопротивления в 2 кОм, при этом коэффициент заполнения составляет 0,65.

3. Изучен эффект лавинного умножения фототока в кремниевых ПБС с редкоземельными элементами. Экспериментально установлено, что величина спектральной чувствительности при освещении образцов на основе контакта Dy - рБ1 монохроматическим излучением (Х=0,63 мкм) с мощностью 0,25 мВт в области лавинного умножения фотоносителей составляла 75 А/Вт,а коэффициент усиления фототока при обратном напряжении в 110 В равнялся 500. Для ПБД на основе контактов Ьи - рБ1 и У - достигнутые значения коэффициента умножения фототока составляли 1200 и 1000 соответственно. Показана перспективность использования ПБД на основе контакта РЗМ - в качестве фотоприёмников и фотодетекторов, обладающих внутренним усилением фототока. Определены зависимости коэффициентов ударной ионизации электронов и дырок в кремнии от напряжённости электрического поля. Установлено, что зависимости коэффициентов ударной ионизации электронов и дырок в кремнии от напряжённости электрического поля в области (1,6-3,0)105 В/см удовлетворительно описываются теоретическими зависимостями Бараффа, при этом коэффициент ударной ионизации электронов почти на порядок превышает коэффициент ударной ионизации дырок.

4. Изучены процессы формирования тонкоплёночных силицидов редкоземельных элементов на поверхности кремния в результате твердофазной реакции между кремнием и РЗЭ. Установлено, что формирование силицида РЗЭ происходит в единственной дисили-цидной фазе при температурах выше 623-673 К. Методом рентгеноструктурного анализа

и Оже-электронной спектроскопии исследован фазовый состав образующихся снлнцид-иых плёнок РЗЭ. Показано, что плёночные диснлициды диспрозия, иттрия и гадолиния формируются со структурой а-Ос!812, а дисилицид лютеция имеет структуру А1В2. С помощью эмиссионного электронного и оптического микроскопов изучена морфология поверхности плёнок силицидов РЗЭ. Показано, что поверхностная морфология плёночных силицидов РЗЭ характеризуется наличием большого числа углублений, размеры и плотность которых составляют 3-5 мкм и ~10б см"2 соответственно. Установлено, что рост силицида РЗМ осуществляется неравномерно по поверхности плёнки РЗМ и происходит путём диффузии атомов кремния.

5. Методами вольамперных, вольфарадных характеристик и спектральных зависимостей фототока определена высота энергетического потенциального барьера на контакте силицид РЗМ - 81. Установлено, что на контакте диснлицида РЗМ с кремнием р-типа проводимости реализуются сравнительно большие величины потенциального барьера (0,730,75 эВ), которые практически одинаковы для силицидов различных РЗМ. Определены значения высоты потенциального барьера на контакте силицида РЗМ с п-кремнием (0,350,41 эВ). Установлено, что вольтамперные характеристики структур на основе контакта диснлицида РЗМ с кремнием п-типа проводимости при комнатной температуре соответствуют омическим, а величина переходного контактного сопротивления для силицидов гадолиния и диспрозия составляет (0,5 - 1)-10'4 Ом-м2. Изучены фотоэлектрические свойства поверхностно-барьерных диодов на основе контакта диснлицида РЗМ с кремнием р-типа проводимости при освещении их светом из области собственного поглощения кремния. Экспериментально установлено, что величины спектральной фоточувствительности кремниевых фотодиодов с плёночными дисшшцидами гадолиния и диспрозия на длине волны 0,63 мкм лежат в пределах 0,25-0,3 А/Вт. Показана перспективность использования тонкоплёночных силицидов РЗМ для создания поверхностно-барьерных приборов, омических контактов к кремнию, фоточувствительных элементов и межэлементных соединений в кремниевых приборах и элементах интегральных схем.

6. Изучен механизм электропроводности с диэлектрическими пленками из оксида самария и иттербия кремниевых МДП-структур. Установлено, что энергия активации проводимости пленки оксида иттербия монотонно уменьшается от 1,1-1,3 эВ до 0,86-0,9 эВ с ростом электрического напряжения от 2 до 5 В, а электропроводность кремниевых МДП-структур с диэлектрическими пленками 5т203 и УЬ20з удовлетворительно описывается механизмом Пула-Френкеля. Из ВАХ на постоянном токе определены величины высокочастотной диэлектрической проницаемости пленок оксида самария и иттербия, которые соответственно равнялись 8,9 и 7,4.

7. Методом вольтфарадных характеристик МДП-структур определены величины фиксированного заряда в диэлектрике и эффективной плотности поверхностных состояний. Плотность поверхностных состояний в МДП-структурах с оксидом самария не превосходит (3-3,6)-Ю10 эВ"'-см"2, а с оксидом иттербия - (2,5-4) -10" эВ"'-см"2. Показано, что удельная емкость диэлектрика и коэффициент перекрытия емкости для исследованных образцов более чем в 3 раза превосходят такие же параметры широко распространенных аналогичных кремниевых МДП-систем с диэлектриком из двуокиси кремния. Установлено, что исследованные образцы перспективны для изготовления фотоваракторов с коэффициентом перекрытия емкости по свету для МДП-структур с диэлектрической пленкой из оксида самария равным 2,5 и 4 при уровнях освещенности, составляющих 4,3-103 и З-Ю4 лк соответственно. Для структур с оксидом иттербия эти величины равнялись 1,5

и 3. Показано, что значения tg 5 и активной составляющей проводимости МДП-структур слабо зависят от освещения.

8. Методом кинетических зависимостей МДП-емкости определены значения скорости поверхностной генерации носителей заряда для различных образцов на границе раздела кремний - оксид РЗЭ, которые составили 20-50 см/с для структур с оксидом самария, а для структур с оксидом иттербия - 11-60 см/с. Значения скорости поверхностной генерации в исследуемых структурах более чем на порядок меньше аналогичного параметра в таких же кремниевых МДП-структурах с термическим оксидом кремния в качестве диэлектрика. Установлено, что наилучшими электрическими характеристиками обладают МДП-структуры, диэлектрические пленки в которых, изготовлены термическим окислением металлических слоев РЗЭ при температуре 500° С. Показано, что процесс установления равновесия в ОПЗ при нестационарном обеднении поверхности полупроводника происходит путем термической генерации электронно-дырочных пар на поверхности и в ОПЗ полупроводника. Величина энергии активации генерационных центров лежит в пределах 0,4-0,43 эВ.

9. Изучены основные закономерности электрического пробоя пленок оксида самария. Установлено два участка на кинетической характеристике пробоя. На первом участке, при малых скоростях нарастания напряжения Ку=10-105 В/с, поле пробоя линейно увеличивается с ростом логарифма Ку и пробой имеет кинетический характер, который связан с накоплением критического заряда в приконтактной области диэлектрика. На втором участке, при Ку >Ю6 В/с величина электрического поля пробоя не зависит от Ку и пробой носит "критический" характер. Показано, что величина пробивного поля линейно уменьшается с ростом температуры окружающей среды, причем наклон температурной характеристики снижается с увеличением скорости роста приложенного напряжения.

10. Методом внутренней фотоэмиссии носителей заряда в диэлектрик впервые определены высоты энергетических барьеров на межфазных границах А1-Бт20з (2,89-2,91 эВ), БьБтгОз (2,70-2,72 эВ), М-ЭтА (3,29-3,33 эВ), А1-УЬ203 (2,9-2,92 эВ), Б1-УЬ203 (3,183,21 эВ), №-УЬ203 (3,3-3,32 эВ) А1- У203 (3,3-3,4 эВ), У203 (3,3-3,35 эВ), №-У203 (3,7-3,8 эВ), БьУабз (3,8-3,85 эВ), А1-Ьи203 (2,9-3,0 эВ), Ьи203 (3,4-3,45 эВ). Установлено, что диэлектрические пленки из оксида самария и иттербия в кремниевых МДП-структурах накапливают отрицательный электрический заряд при облучении структур монохроматическим видимым и УФ-излучением при одновременном воздействии внешнего поля. Показано, что величина захваченного заряда увеличивается с ростом приложенного напряжения и имеет тенденцию к насыщению при больших временах облучения. Установлено, что величина эффективного заряда, захваченного в диэлектрике на порядок меньше заряда, прошедшего через структуру.

11. Из сдвига вольтаических зависимостей фотоинжекцнонного тока после облучения впервые определены параметры электронных ловушек в диэлектрической пленке. Установлено, что фотоинжектированные электроны захватываются на глубокие центры диэлектрика, причем "центроид" захваченного заряда располагается вблизи середины диэлектрика. Сечение захвата и плотность электронных ловушек в диэлектрической пленке оксида иттербия равны 3,5-10"19 см2 и 1,61012см"2 соответственно. Методом фотостиму-лированной деполяризации установлено, что электронные центры захвата располагаются в середине запрещенной зоны диэлектрика УЬ203 и 8ш2Оз, на расстоянии 2,4 - 2,7 эВ и 2,25-2,6 эВ соответственно от дна зоны проводимости диэлектрика.

12. На основе проведенных исследований указаны возможности использования пленок оксидов РЗЭ и МДП-структур на их основе в качестве МДП-варикапов и фотоварикапов с высоким коэффициентом перекрытия емкости. Показана перспективность использования исследованных систем для создания на их основе приборов с репрограммнруемой оптической записью информации и визуализации УФ-изображений, использования их в качестве высокочувствительных фотоприемников, а также слоев исследованных ОРЗЭ в качестве изолирующих и пассивирующих покрытий.

13.Обнаружен и исследован эффект электрического переключения проводимости с памятью в структурах с пленочными фторидами РЗЭ. Установлено, что в высокоомном состоянии МДП - структуры имеют сопротивление (2-н4)-10п Ом, а их электропроводность удовлетворительно описывается механизмом Пула - Френкеля. Определены значения термической энергии активации структур в высокоомном и низкоомном состояниях, которые составили 0,5 0,8 эВ и 0,03 + 0,1 эВ соответственно. Установлены зависимости характеристик переключения от параметров структуры и внешних условий. Выяснено одновременное участие высокополевых и тепловых процессов в явлении переключения, что указывает на его электротермическую природу. Методом вольтемкостных и вольтам-перных исследований показано, что низкоомное состояние МДП - структур с фторидами РЗЭ удовлетворительно описывается моделью структуры металл - туннельно тонкий диэлектрик - полупроводник. Установлено, что в низкоомном состоянии МДП - структуры имеют сопротивление 104+ 103 Ом. Изучены основные механизмы токопрохождения на различных участках ВАХ МДП - структур в темноте и при освещении от различных источников. Определено влияние поверхностных барьеров в кремнии на электропроводность указанных структур. 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. Найденный коэффициент усиления фототока составил М= 2*49.

14.Установлено, что нанесение просветляющей пленки из фторида РЗЭ на поверхность кремния дает возможность снизить коэффициент отражения монохроматического света от 34,7-5-37 % на чистой поверхности кремния до 2н-5 % на поверхности кремния, покрытой слоем трифторида РЗЭ. Показано, что наблюдаемое увеличение спектральной чувст-зителыюсти исследуемых кремниевых структур при нанесении тонких пленок фторидов ">ЗЭ вызвано просветляющим и пассивирующим действием пленочного покрытия.

15.На основе проведенных исследований указаны возможности использования пленок фторидов РЗЭ и МДП - структур на их основе в качестве электрических и тепловых пе->екшочателей, элементов репрограммнруемой постоянной памяти для записи и хранения шформации и др. Показана возможность использования МДП - структур с фторидами >ЗЭ в низкоомном состоянии в качестве высоко1гувствительных фотодетекторов с широ-;им диапазоном спектральной чувствительности. Проведенные исследования позволили федложить и экспериментально обосновать возможность использования пленок фтори-юв РЗЭ в качестве просветляющих и пассивирующих покрытий кремниевых фотоэлек-рических приборов.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

. Милюткии Е.А., Рожков В.А. Высота потенциального барьера на контакте кремний -редкоземельный металл // ФТП. 1984. Т. 18, № 2. С. 389.

2. Рожков В.А., Милюткин Е.А. Электрические и фотоэлектрические свойства поверхностно - барьерных диодов на основе гадолиний - р - кремний // Электрон, техн. Сер. 2. П/п-ые приборы. 1984. Вып. 3 (169). С. 16 - 19.

3. Милюткин Е.А., Рожков В.А. Лавинное умножение фототока в структурах с барьером Шоттки на основе контакта диспрозий - кремний // ФТП. 1984. Т. 18, Ks 8. С. 1455 - 1457.

4. Милюткин Е.А., Рожков В.А. Свойства поверхностно - барьерных диодов на основе контакта диспрозий - кремний И В сб. Физика структуры и свойства твердых тел. 1984. Куйбышев, Куйб. госуниверситет. С. 164 - 167.

5. Рожков В.А., Милюткин Е.А. Фотоэлектрические свойства поверхностно барьерных диодов на основе контакта редкоземельный элемент - кремний // Электрон, техн. Сер. 2. П/п-ые приборы. 1987. Вып. 2 (187). С. 38 - 43.

6. Вдовин О.С., Рожков В.А., Котелков В.Н., Свердлова A.M. Получение и исследование свойств МОП - структур на основе окислов редкоземельных элементов // Электрон, техн. Сер. 6. 1972. Вып. 5. С. 109 -117.

7. Рожков В.А., Вдовин О.С., Котелков В.Н., Свердлова A.M. Электрические свойства МОП - структур на основе окислов диспрозия и европия // Микроэлектроника. 1972. Т. 1, № 2. С. 156 - 160.

8. Рожков В.А., Вдовин О.С., Котелков В.Н., Свердлова A.M. Диэлектрические пленки на основе окислов редкоземельных элементов // Электрон, промышленность. 1973. Вып. 1. С. 22 - 23.

9. Вдовин О.С., Рожков В.А., Котелков В.Н., Свердлова A.M. Получение и электрические свойства МОП - структур на основе пленок окислов редкоземельных элементов // Электрон, техн. Сер. 6. 1973. Вып. 2. С. 77 - 81.

10. Вдовин О.С., Кирьяшкина З.И., Котелков В.Н., Новичков В.В., Рожков В.А. и др. Пленки оксидов редкоземельных элементов в МДМ - и МДП - структурах. Саратов: Сарат. Госуниверситет, 1983. 159 с.

11. Милюткин Е.А., Рожков В.А. Образование пленок силицидов РЗМ и свойства границы раздела силицид - кремний // Микроэлектроника. 1985. Т. 14, № 1. С. 50 - 54.

12. Милюткин Е.А., Рожков В.А. Образование и свойства пленок силицидов редкоземельных металлов па поверхности кремния // Электрон, техн. Сер. Материалы. 1984. Вып. 5 (190). С. 17- 19.

13. Милюткин Е.А., Рожков В.А. Электрофизические свойства границы раздела силицид РЗМ - кремний //Тез. VIII совещания "Физика поверхностных явлений в полупроводниках." Часть 2. 1984. Киев. С. 46 - 47.

14. Мшноткин Е.А., Рожков В.А. Свойства тонкопленочных силицидов РЗЭ и их применение в элементах микросхем // Тез. докл. Школы по актуальным вопросам физики и химии соединений на основе РЗЭ. 1989. Красноярск. С. 39 - 40.

15. Рожков В.А., Свердлова A.M. Эффекты отрицательного сопротивления, переключения и генерации сигналов в МОП - структурах с пленками оксидов редкоземельных элементов //Письма в ЖТФ. 1981. Т. 7, Вып. 6. С. 335 - 339.

16. Рожков В.А. Фотоэлектрические свойства кремниевых МДП - структур при нестационарном истощении поверхности полупроводника // Электрон, техн. сер. 2. Полупров. приборы. 1982. Вып. 5 (156). С. 28 - 33.

17. Рожков В.А., Петров А.И., Милюткин Е.А. Эффект переключения проводимости с памятью в структуре AI - Се02 - Si // Журн. техн. физики. 1983. Т. 57, № 7. С. 1404 -1405.

18. Рожков В.А., Петров А.И., Милюткин Е.А. Переключение проводимости и память в кремниевых МДП - структурах на основе пленок двуокиси церия // Микроэлектроника. 1984. Т. 13, №3. С. 247-251.

19. Рожков В.А., Петров А.И. Эффект переключения проводимости и память в структуре AI - Gd203 - Si // Письма в ЖТФ. 1985. Т. 11. Вып. 1. С. 49- 52.

20. Рожков В.А., Петров А.й. Переключение и память в МДП - структурах на основе оксидов редкоземельных металлов // Тез. докл. XII Всесоюз. конф. по микроэлектронике. Ч. 3. 1987. Тбилиси. 1987. С. 87 - 88.

21. Петров А.И., Рожков В.А. Особенности процессов переключения к памяти в кремниевых МДП - структурах // В сб. Фотоэлектроника. Киев - Одесса: Либидь, 1991. С. 68 - 72.

22. Петров А.И., Рожкон В.А., Романенко H.H., Шалимова М.Б. Просветляющие и пассивирующие свойства пленок оксидов и фторидов редкоземельных элементов // Тез. докл. Росс, научно - техн. конф. по физике диэлектриков с международным участием "Диэлектрики - 93". Часть 2. 1993. С. - Петербург. С. 132 - 133.

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

24. Рожков В.А. Накопление заряда в кремниевых МДП - структурах с диэлектриком из оксида диспрозия при воздействии УФ - излучения // Известия ВУЗов. Физика. 1994. №7. С. 99 - 104.

25. Рожков В.А., Петров А.И. Электрофизические свойства кремниевых МДП - структур на основе ионно - плазменных пленок окислов редкоземельных элементов // Тез. докл. VIII совещ. "Физика поверхностных явлений в полупроводниках." Часть 2. 1984. Киев. 1984. С. 60-61.

26. Полозов В.Б. , Котелков В.Н., Вдовин О.С., Рожков В.А. Исследование окисления пленок РЗЭ // В сб. Исследования в области химии редкоземельных элементов. Саратов: Сарат. госунивер-т, 1975. С. 111 - 112.

27. Вдовин О.С., Рожков В.А., Котелков В.Н., Свердлова A.M. Получение и некоторые свойства пленок окислов редкоземельных элементов // В кн.: Получение и свойства тонких пленок. Вып. 1. Киев: ИПМ АН УССР, 1973. С. 32 - 44. Киев, госунив-т, 1971. Вып. 1.С. 138-141.

28. Петров А.И., Рожков В.А. Электрический пробой пленок оксида гадолиния // Радио-техн. и электроника. 1993. Т. 32, № 2. С. 296-301.

29. Петров А.И., Рожков В.А. Электрический пробой пленочных оксидов редкоземельных элементов в МДП-структурах //Тез. докл. Росс, научно-техн. конф. по физике диэлектриков с междунар. участием. "Диэлектршш-93". Часть 2. 1993. С.-Петербург. С. 92-93.

30. Гончаров В.П., Петров А.И., Рожков В.А. Электрический пробой пленок оксида иттрия в кремниевых структурах металл-диэлектрик-полупроводник // Радиотехн. и электроника. 1994. Т. 39, № 11. С. 1845-1851.

31. Рожков В.А., Петров А.И., Гончаров В.П. Электрический пробой пленок оксида лютеция // Физика тв. тела. 1995. Т. 37, № 2, С. 491-498.

32. Петров А.И., Рожков В.А. Электрический пробой пленок оксида диспрозия // Известия ВУЗов. Физика. 1995. № 8. С. 95-101.

33. Rozhkov V.A., Petrov A.I., Goncharov V.P., Trusova A.Yu. Electrical Breakdown of Rare Earth Oxide Insulator Thin Films in Silicon MIS Structures // Conférence Proceedings 1995 IEEE 5Й International Conférence on Conduction and Breakdown in Solid Dielectrics. Leicester. England. Ju!y 10- 13. 1995. P. 418 - 422.

34. Рожков B.A., Трусова АЛО. Электрический пробой пленок оксида самария в кремниевых МДП-структурах //Тез. докл. Междунар.. научно-техн. конф. по физике твердых диэлектриков. "Диэлектрики-97". 1997. С.-Петербург. С. 58-59.

35. Рожков В.А., Трусова АЛО. Электрический пробой пленок оксида самария в кремниевых МДП-структурах // Вестник СамГУ. 1997. № 2(4). С. 174-181.

36. Рожков В.А. и др. Исследование переходных процессов в кремниевых МДП-структурах// Электрон, техн. Сер. 2. 1971. Вып. 4(61). С. 71-74.

37. Рожков В.А., Панфилов Б.А., Свердлова А.М. Измерение вольтемкостных и переходных характеристик структур металл-диэлектрнк-полупроводник // ПТЭ. 1971. №6. С. 127-129.

38.Рожков В.А., Свердлова А.М., Новичкова Н.П. Исследование неравновесного обеднения в кремниевых МОП-структурах И Тез. докл. !У Всесогоз. совещ. по электронным явлениям на поверхности полупроводника. 1971. Киев. С. 55-56.

39. Рожков В.А., Вдовин О.С., Котелков В.Н., Свердлова А.М. МОП-структуры на основе пленок окислов редкоземельных элементов //В сб. Получение и свойства тонких пленок. Киев: ИПМ АН УССР. 1973. С. 3-11.

40. Рожков В.А., Вдовин О.С., Котелков В.Н., Свердлова А.М. Электрофизические свойства структуры Al-Y203-Si // Микроэлектроника. 1973. Т. 2. № 3. С. 267-270.

41. Рожков В.А. и др. Исследование влияния излучения на переходные процессы в кремниевых МОП-структурах //В сб. Физика полупров. и полупров. электроника. Саратов: СГУ, 1973. Вып. 4. С. 24-28.

42. Рожков В.А. и др. Пленочные структуры на основе окислов редкоземельных элементов // В сб. Тонкие диэлектрические пленит. Матер. Всесоюз. конф.Физика диэлектриков и перспективы ее развития. Т.3.1973. Л. С.178-179.

43.Вдовин О.С., Рожков В.А., Котелков В.Н. и др. Исследование электрофизических свойств пленок окислов и соединений РЗЭ / В сб. Исследование в области химии редкоземельных элементов. Саратов: СГУ, 1975. С. 110-111.

44. Гавриленко В.И., Зуев В.А., Сукач Г.А., Рожков В.А. Исследование границы раздела Si-Y203 оптическими методами // В сб. Полупроводниковая техника и микроэлектроника. Вып. 23. Киев: Наукова думка, 1976. С. 53-58.

45. Вдовин О.С., Рожков В.А., Котелков В.Н. и др. Некоторые свойства МДП-структур на основе пленок окислов редкоземельных элементов // В сб. Физика полупров. и по-лупр. электроника. Саратов: СГУ, 1975. Вып. 5. С. 121-125.

46. Рожков В.А., Петров А.И. Исследование электрофизических свойств кремниевых МДП-структур на основе окиси гадолиния // Электрон, техн. Сер. 6. Материалы. 1982. Вып. 9(170). С. 27-29.

47. Рожков В.А., Петров А.И. Исследование процессов образования заряда в пленочных оксидах редкоземельных элементов при воздействии УФ облучения на МДП-структуры // Материалы У1 Всесоюз. конф по физике диэлектриков. Секция 7. Томск. 1988. С. 21-25.

48. Рожков В. А., Петров А.И. Электрофизические свойства пленок двуокиси церия и кремниевых МДП-структур на их основе // Электрон, техн. Сер. 2. П-п-ые приборы. 1984. Вып. 1(167). С. 13-16.

49. Рожков В.А., Петров А.И. Электрические и фотоэлектрические свойства кремниевых МДП-структур с пленками из оксидов гадолиния и диспрозия // Тез. докл. У1 Всесоюз. конф. по физике диэлектриков.Сер. 6. Материалы. Вып. 4(280). Секц. Электрофизика слоистых структур. 1988 Томск. С. 81-82.

50. Рожков В.А., Петров А.И., Латухина Н.В. Свойства кремниевых МДП-структур с оксидами, полученными высокотемпературным окислением РЗМ // В Респуб. межвед. научн. сб. Фотоэлектроника. Киев-Одесса: Либидь, 1990. Вып. 3. С. 98-101.

51. Рожков В.А., Петров А.И., Латухина Н.В. Кремниевые МДП-структуры с диэлектриком на основе оксидов редкоземельных элементов // В сб. Влияние внешних воздействий на структуру и свойства твердых тел. Куйбышев: КГУ. 1988. С. 119-123.

52. Рожков В.А., Петров А.И. Пленки оксидов редкоземельных элементов и кремниевые МДП-структуры на их основе // В сб. Физика и химия редкоземельных полупроводников. Новосибирск: Наука. Сиб. отд., 1989. С. 84-89.

53. Бережной И.Г., Гончаров В.П., Рожков В.А., Трусова А.Ю. Кремниевые МДП-варикапы с диэлектриком из оксида самария иттрия и лютеция // В межвуз. научно-техн. сб. Электродинамика слоисто-неоднородных структур СВЧ. Самара: СамГУ, 1995. С. 82-88.

54. Рожков В.А., Гончаров В.П.,Трусова А.Ю. МДП-варикапы и фотоварикпы на основе структуры Al-Lu203-Si // Письма в ЖТФ. 1995. Т. 21. Вып. 2. С. 6-10.

55. Рожков В.А. и др. МДП-варикапы и фотоварикапы на основе структуры Al-SrrijOj-Si // Журн. техн. физики. 1995. Т. 65. Вып. 65. С. 183-186.

>6. Рожков В.А., Трусова А.Ю., Бережной И.Г. Электрофизические свойства МДП-структуры Al-SmjOß-Si при нестационарном истощении поверхности полупроводника основными носителями заряда//Вестник СамГУ.1996. № 2. С. 113-121.

>7. Латухина Н.В., Рожков В.А., Селиверстова Н.В. Химическое травление пленок оксидов редкоземельных металлов И Физика и химия обработки материалов. 1996. № 5. С. 78-81.

¡8. Рожков В.А., Трусова А.Ю. Кремниевые металл-диэлектрик-полупроводник-варикапы с диэлектриком из оксида иттербия // Письма в ЖТФ. 1997. Т. 23, №12. С. 50-55.

9. Рожков В.А. и др. Пленки оксидов редкоземельных элементов в кремниевых МДП-системах и элементах микроэлектроники // Тез. докл. Второй Всерос. научно-техн. конф. с международным, участием. "Электроника и ииформатика-97." Ч. 1. 1997. М. С. 120-121.

0. Rozhkov V.A., Goncharov V.P., Trusova A.Yu. Electrical and photoelectrical properties of MIS structures with rare earth oxide films as insulator. // Conference Proceedings 1995 IEEE 5 International Conference on conduction and breakdown in solid dielectrics, Leicester, England, 1995. P. 552-555.

1. Rozhkov V.A., Trusova A. Yu., Berezhnoy I.G. Photoinjection and charge trapping in dielectric in silicon MIS-structures with rare earth oxides. // The Dielectrics Society 28Ul Annual Conference Charges in Solid Dielectrics . 7-9 April 1997, Darwin College, University of Kent at Canterbury, England.Pap. 3.1.

62. Рожков В.А., Свердлова A.M., Лукашова И.П., Вдовин О.С. О влиянии рентгеновского облучения и отжига на структуры Si-Si02-Al // В сб. Физика полупроводников и полупроводниковая электроника. Саратов: Сарат. Госун-т, 1975. Вып. 5. С. 54-58.

63. Рожков В.А. и др. Эффекты переключения и памяти в структурах Si-Si02-Eu203-Al // Микроэлектроника. 1973. Т. 2, № 1. С. 87-89.

64. Рожков В.А., Трусова А.Ю., Бережной И.Г. Энергетические барьеры и центры захвата в кремниевых МДП-струкггурах с диэлектриком из оксида самария и иттербия // Письма в ЖТФ. 1998. Т. 24. Вып. 6. С. 24-29.

65. Петров А.И., Рожков В.А. Элемент памяти // Реш ГПВ НИИГПЭ о выдаче A.C. по заявке № 4879458/24 от 30.07.92 г., 3 с.

66. Рожков В.А., Милюткин Е.А., Петров А.И. Влияние толщины слоя смешанного оксида индия-олова на спектральные характеристики фотоэлектрических преобразователей со структурой In203/Sn02-p+Si-nSi И Гелиотехника. 1988. № 5. С. 21-23.

67. Рожков В.А., Милюткин Е.А., Петров А.И. Высокоэффективные кремниевые фотодиодные структуры на основе окисных пленок индия - олова //Электрон, техн. Сер. 2. П/п приборы. 1983. Вып.7(166). С. 22-24.

68. Рожков В.А., Петров А.И. Просветляющие покрытия из оксидов церия и самария для кремниевых фотоэлектрических приборов // Известия ВУЗов. Физика. 1994. № 9. С. 20-24.

69. Аношин Ю.А., Петров А.И., Рожков В.А. н др. Просветление и пассивация кремниевых фотоэлектрических преобразователей пленками оксидов редкоземельных элементов // Гелиотехника. 1992. № 5. С. 13-16.

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

71. Петров А.И., Рожков В.А. Рекомбинационные свойства кремния, пассивированного пленками оксидов редкоземельных элементов // Письма в ЖТФ.1998. Т. 24. Вып. 7. С. 16-21

72. Латухина Н.В., Рожков В.А., Романенко H.H. Кремниевые МДП - структуры с оксидом диспрозия и лютеция и диффузия редкоземельных элементов в кремний // Микроэлектроника. 1994. Т.23. Вып. I. С. 59-64.

73. Рожков В.А. и др. Исследование свойств диэлектрических пленок алюмината неодима // Электрон, техн. Сер. Материалы. 1981. Вып. 4(153). С. 61-62.

74. Рожков В.А., Вдовин О.С., Свердлова A.M. и др. Электрофизические свойства МДП -структуры AI - У203 - Ge // Микроэлектроника. 1976. Т. 5, № 1. С. 28 - 31.

75. Новичков В.В., Свердлова A.M., Новичкова Н.П., Рожков В.А. Электрофизические свойства МОП - структур n- GaAs - Ег203 - AI и n - GaAs - Dy203 - AI // Микроэлектроника. 1976. Т. 5, №1. С. 24 - 27.

76. Новичков В.В., Свердлова A.M., Новичкова Н.П., Рожков В.А. Исследование электрофизических свойств МДП - структур на основе арсенида галлия с окислами редкоземельных элементов / В сб. "Получение и свойства тонких пленок". Киев: ИПМ АН УССР. 1974. Вып. 2. С. 27 - 29.

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

78. Rozhkov V.A., Shalimova M.B. The eonducfion bistable switching effect in the structure with rare earth fluorides // The Dielectrics Society 28th Annual Conference. Charges in Solid Dielectrics. - Darwin College, University of Kent at Canterbury. 7-9 April 1997. P. 3.16.

79. Рожков B.A., Шалимова М.Б. Эффект электрического переключения проводимости с памятью в структуре Al - DyF3 - Si // Письма в ЖТФ. 1992. Т. 18, Вып. 5. С. 74 - 77.

30. Рожков В.А., Шалимова М.Б. Электрическое переключение проводимости с памятью в кремниевых МДП-структурах с диэлектриком из фторида эрбия // ФТП. 1993. Т. 27, №3. С. 438-445.

51. Рожков В.А., Романенко H.H. Переключение проводимости с памятью в кремниевых МДП-струюурах с пленкой фторида самария // Письма в ЖТФ. 1992. Т. 18. Вып. 15. С. 60-63.

32. Рожков В.А., Романенко H.H. Эффект переключение проводимости с памятью в МДП-структурах с фторидом лантана //Письма в ЖТФ. 1993. Т. 19. Вып. 22. С. 6-9.

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

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

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

36. Бережной И.Г., Рожков В.А., Трусова А.Ю. Накопление и релаксация заряда в кремниевой МДП-структуре с диэлектриком из оксида РЗЭ под действием излучения // Матер. Докл. междунар. научно-техн. семинара "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах". М. 1998.С. 435-439.

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

58. Рожков В.А., Романенко H.H., 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. 1993. Санкт-Петербург. С. 128-129.

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

>0. Петров А.И., Рожков В.А. Исследование пробоя и переключения с памятью в структурах с пленочным оксидом редкоземельного элемента // Тез. докл. VI Всесоюзн. конф. по физике диэлектриков. Секц. Пробой и электрическое старение диэлектриков. 1988. Томск. С. 138 - 139.

>1. Рожков В.А., Петров А.И. Особенности явления переключения проводимости с памятью в тонкопленочных системах на основе оксидов РЗЭ // Тез. докл. Всесоюз. школы по актуальным вопросам физики и химии соединений на основе РЗЭ. 1989. Красноярск. С. 41 - 42.

92. Рожков В.А., Петров А.И. Пленки окислов редкоземельных элементов, их свойства и применение в микроэлектронике // Тез. докл. III Всесоюз. конф. "Неорганические стекловидные материалы и пленки на их основе в микроэлектронике". 1983. М. 1983. С. 143.

93. Рожков В.А., Петров А.И. Свойства пленок окислов редкоземельных элементов и перспективы их использования в микроэлектронике // Тез. докл. Всесоюз. конф. "Состояние и перспективы развития микроэлектронной техники". Часть 1. 1985. Минск. С. 217.

94. Рожков В.А. и др. Влияние глубоких центров на неравновесные процессы в кремниевых МОП-структурах // Совещание по глубоким центрам в полупроводниках. Краткое содержание докл. 1972. Одесса. С. 99.

95. Петров А.И., Рожков В.А., Трусова А.Ю. Электрический пробой пленок оксидов РЗЭ в кремниевых МДП-структурах // Матер. Докл. междунар. научно-техн. семинара "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах". М. 1998. С. 425-429.

96. Байбурин В.Б., Волков Ю.П., Рожков В.А. Микроканалы проводимости в диэлектрической пленке оксида иттербия // Письма в ЖТФ. 1998. Т. 24. № 12. С. 21-24.

ЛР №020316 от 4.12.96 г. Подписано в печать 15.05.98. Формат 60x84 1/16. Объем 2,0 п.л. Тираж 100 экз. Бумага офсетная. Печать офсетная. Издательство «Самарский университет». 443011, Самара, ул. Акад. Павлова, 1. УОП СамГУ ПЛД № 67-43 от 19.02.98 г.



САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

РОЖКОВ ВИКТОР АРКАДЬЕВИЧ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СЛОИСТЫЕ СТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ ПЛЕНОК РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ИХ СОЕДИНЕНИЙ (СИЛИЦИДЫ, ОКСИДЫ И ФТОРИДЫ)

Часть 1

01.04.05 - Оптика

01.04.10 - Физика полупроводников и диэлектриков

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико - математических наук

!| "И. " 19 2Л г., № ЗУ40

■¡ярксудилучен-уюс::-п-Эя-ъ ДШСГП::': -

..................ЧЪ -АЩу- I

Самара - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Перечень условных обозначений и сокращений......................................................8

Введение......................................................................................................................10

Раздел 1. Контакты редкоземельный металл - кремний, силицид редкоземельного металла - кремний и поверхностно - барьерные диоды

на их основе................................................................................................................32

Глава 1.1. Общая характеристика и свойства редкоземельных элементов.... 32 Глава 1.2. Контакты редкоземельный металл - кремний и поверхностно -

барьерные диоды на их основе..........................................................................42

1.2.1. Методика получения и исследования характеристик экспериментальных образцов поверхностно-барьерных диодов............................................43

1.2.2. Структура пленок редкоземельных элементов.............................................46

1.2.3. Высота потенциального барьера на контакте редкоземельный металл - кремний.................................................................................................50

1.2.4. Фотоэлектрические свойства поверхностно - барьерных диодов на основе контакта РЗМ - кремний р- типа.......................................................65

Глава 1.3. Тонкопленочные силициды РЗМ и поверхностные барьеры в

контакте силицид РЗМ - кремний..................................................................82

1.3.1. Классификация, общая характеристика и основные свойства тонкопленочных силицидов металлов....................................................................84

1.3.2. Получение образцов поверхностно - барьерных диодов на основе контакта силицид РЗМ - кремний и методика исследования их свойств............................................................................................................105

1.3.3. Структура, состав и поверхностная морфология пленочных силицидов РЗМ......................................................................................................107

1.3.4. Потенциальный барьер в системе силицид РЗМ - кремний и электрофизические свойства кремниевых ПБД с силицидами РЗМ................114

Раздел 2. Пленочные оксиды редкоземельных элементов и МДП - струк-

туры с диэлектрическими слоями на их основе.........................................123

Глава 2.1. Получение и свойства пленок оксидов редкоземельных

элементов................................................................................................125

2.1.1. Основные электрофизические свойства оксидов редкоземельных элементов ( сведения из литературы ).........................................................125

2.1.2. Методика низкотемпературного изготовления пленок оксидов

РЗЭ и кремниевых МДП-структур на их основе........................................131

2.1.3. Структура пленок оксидов РЗЭ....................................................................140

Глава 2.2. Электрические свойства пленок ОРЗЭ и МДП-структур на

их основе.........................................................................................................152

2.2.1. Электропроводность кремниевых МДП-структур с диэлектрическими пленками из ОРЗЭ................................................................................153

2.2.1.1. Механизм прохождения тока в кремниевых МДП-структурах с

ОРЗЭ в качестве диэлектрика.......................................................................153

2.2.1.2. Исследование кинетических характеристик тока для кремниевых МДП-структур с диэлектрическими пленками ОРЗЭ...............................159

2.2.2. Проводимость и диэлектрические потери в слоисто-неоднородных структурах с ОРЗЭ на переменном сигнале................................................166

2.2.3. Явление отрицательного сопротивления в МДП-структуре с пленкой оксида РЗЭ......................................................................................................168

Глава 2.3. Характеристики электрического пробоя пленок ОРЗЭ в кремниевых МДП-структурах..............................................................................................177

2.3.1. Методика исследования характеристик электрического пробоя.............177

2.3.2. Кинетические характеристики электрического пробоя............................180

2.3.3. Зависимость величины напряженности электрического поля пробоя

от параметров МДП-структуры...................................................................185

2.3.4. Влияние внешних параметров на величину пробивного электрического поля.........................................................................................................192

2.3.5. Модель явления электрического пробоя пленок ОРЗЭ в МДП-структурах и оценка ее применимости для обьяснения экспериментальных

результатов.....................................................................................................201

2.3.5.1. Пробой на постоянном напряжении.........................................................202

2.3.5.2. Пробой для случая линейно-нарастающего напряжения.......................204

2.3.5.3. Сравнение экспериментальных данных с теоретической моделью......207

Глава 2.4. Электрофизические свойства границы раздела кремний -

оксид редкоземельного элемента...........................................................................215

2.4.1. Вольт - фарадные характеристики кремниевых МДП-структур с оксидами РЗЭ.....:.....................................................................................................215

2.4.2. Влияние технологии изготовления диэлектрических пленок на электрические характеристики МДП-структур....................................................227

2.4.3. Свойства границы раздела кремний-ОРЗЭ.................................................231

2.4.3.1. Исследование генерационных процессов в кремниевых МДП-структурах А1- 8т203-81 и А1- УЪ20з-81 методом Цербста......................232

2.4.3.2. Влияние освещенности на генерационно-рекомбинационные процессы в кремниевых МДП-структурах с пленками ОРЗЭ............................239

2.4.3.3. Зависимость генерационных параметров МДП-структур от

технологических условий изготовления диэлектрической пленки....................249

Глава 2.5. Фотоэлектрические свойства кремниевых МДП-структур

на основе пленочных оксидов РЗЭ........................................................................252

2.5.1. Методика определения высот энергетических барьеров на межфазных границах МДП-систем методом внутренней фотоэмиссии...........252

2.5.1.1. Метод фотоинжекции и аналитическое выражение для фотоинжекционного тока........................................................................................253

2.5.1.2. Анализ спектральной зависимости фотоинжекционного тока..............259

2.5.1.3. Анализ вольтаической зависимости фотоинжекционного тока............260

2.5.2. Изучение спектральных зависимостей фотоэмиссионного тока

в кремниевых МДП-структурах с оксидами РЗЭ в качестве диэлектрика........266

2.5.3. Изучение вольтаических зависимостей фотоэмиссионного тока

в кремниевых МДП-структурах с оксидами РЗЭ в качестве диэлектрика........274

2.5.4. Эффекты накопления заряда в пленках ОРЗЭ кремниевых МДП-структур при внешних воздействиях.....................................................................280

2.5.4.1. Исследование эффекта переключения и памяти емкости

структур А1-Еи203-8Ю2-81 и А1-Ьа203-8Ю2-81......................................................281

2.5.4.2. Особенности накопления заряда в кремниевых МДП-

структурах с ОРЗЭ при воздействии облучения..................................................287

Глава 2.6. Исследование параметров активных центров захвата

заряда в диэлектрических слоях из оксидов РЗЭ.................................................303

2.6.1. Методика определения локализации и плотности захваченного

заряда в объеме диэлектрика..................................................................................303

2.6.2. Изучение активных центров захвата заряда в диэлектрических пленках оксида самария и иттербия......................................................................307

2.6.2.1. Плотность и локализация захваченного заряда в диэлектрических пленках оксида иттербия и самария в кремниевых МДП-структурах.....309

2.6.2.2. Определение сечения захвата и плотности электронных ловушек

в объеме диэлектрических пленок оксида самария и иттербия.........................312

2.6.2.3. Энергетическая глубина залегания электронных ловушек в диэлектрических пленках оксида самария и иттербия.......................................318

2.6.2.4. Пространственное распределение захваченного заряда........................320

Глава 2.7. Эффект электрического переключения проводимости с

памятью в МДМ- и кремниевых МДП-структурах с диэлектрическими пленками из ОРЗЭ....................................................................................................324

2.7.1. Основные характеристики явления переключения проводимости

в кремниевых МДП- структурах............................................................................324

2.7.2. Исследование свойств проводящего состояния в МДП-структурах.......332

2.7.3. Модель явления электрического переключения проводимости

с памятью в МДП-структурах с оксидами РЗЭ....................................................334

Глава 2.8. Оптические свойства пленок оксидов РЗЭ и просветляющие покрытия на их основе для кремниевых фотоэлектрических приборов...........344

2.8.1. Селективные просветляющие оптические покрытия для

кремниевых фотоэлектрических приборов...........................................................344

2.8.2. Оптические и просветляющие свойства пленок оксидов РЗЭ.................350

2.8.3. Рекомбинационные свойства кремния, пассивированного

пленками ОРЗЭ........................................................................................................352

Глава 2.9. Свойства кремниевых МДП-структур с оксидами,

полученными высокотемпературным окислением РЗМ и МДП-

структур с ОРЗЭ на основе германия и арсенида галлия...................................365

2.9.1. Электрофизические свойства кремниевых МДП - структур

с оксидами, полученными высокотемпературным окислением РЗМ................365

2.9.2. Электрофизические свойства МДП - структур на основе германия

и арсенида галлия с диэлектрическими слоями из ОРЗЭ....................................374

Раздел 3. Эффект переключения проводимости с памятью и фотоэлектрические явления в слоистых структурах на основе пленочных фторидов РЗЭ........389

Глава 3.1. Получение пленок фторидов РЗЭ, слоистых структурна их основе и экспериментальные установки............................................................392

3.1.1. Технологические особенности изготовления пленок фторидов

РЗЭ и структур на их основе...................................................................................392

3.1.2. Методика измерений и экспериментальные установки............................396

Глава 3.2. Основные характеристики явления переключения проводимости с памятью в кремниевых структурах с

диэлектрическими пленками фторидов РЗЭ.......................................................402

3.2.1. Экспериментальные закономерности электрического и теплового переключения проводимости в структурах с диэлектрическими

пленками фторидов РЗЭ.........................................................................................402

3.2.2. Кинетические характеристики переключения и явление формовки.......412

3.2.3. Вольт - ёмкостные характеристики МДП - структур с фторидами

РЗЭ в высокоомном и низкоомном состоянии.....................................................418

Глава 3.3. Исследование свойств низкоомного состояния кремниевых МДП -структур с фторидами РЗЭ и обсуждение модели переключения..................428

3.3.1. Исследование механизмов токопрохождения в МДП - структурах

с фторидами РЗЭ после переключения в проводящее состояние....................429

3.3.2. Лавинный пробой в МДП - структурах с фторидами РЗЭ в низкоомном состоянии..................................................................................................................441

3.3.3. Электрофизические характеристики кремниевых МДП - структур

с фторидами РЗЭ в низкоомном состоянии при освещении...............................445

3.3.3.1. Режим короткого замыкания МДП структур с фторидами РЗЭ

в низкоомном состоянии.........................................................................................446

3.3.3.2. ВАХ и ВФХ МДП - структур с пленочными фторидами РЗЭ в низкоомном состоянии при освещении.................................................................460

3.3.3.3. Кинетика фотоответа кремниевых МДП - структур с пленочными фторидами РЗЭ в низкоомном состоянии............................................................460

3.3.4. Модель переключения проводимости с памятью в МДП -

структурах с фторидами РЗЭ..................................................................................472

Глава 3.4. Просветляющие и пассивирующие диэлектрические покрытия на основе фторидов РЗЭ для кремниевых фотоэлектрических приборов........477

3.4.1. Оптические свойства пленок фторидов РЗЭ..............................................477

3.4.2. Фотоэлектрические свойства кремниевых структур с просветляющими

слоями из фторидов РЗЭ.........................................................................................482

Заключение и основные выводы............................................................................487

Список использованных источников.....................................................................499

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ

ВАХ - вольтамперная характеристика

ВС - высокоомное сотояние

ВТ - обработка - термополевая обработка

ВФХ - вольтфарадная характеристика

ГПУ - гексагональная плотная упаковка

ГЦК - гранецентрированная кубическая

ДП - диэлектрик - полупроводник

ДГПУ - двойная гексагональная плотная упаковка

МДМ - металл - диэлектрик - металл

МДП - металл - диэлектрик - полупроводник

МТДП - металл - туннельно тонкий диэлектрик - полупроводник

НС - низкоомное состояние

ОПЗ - область пространственного заряда

ОРЗЭ - оксид редкоземельного элемента

ОЦК - объёмно центрированная кубическая

ПАР - перекисно - аммиачный раствор

ГОД - поверхностно - барьерный диод

ПБМ - полублагородные металлы

ПБС - поверхностно - барьерная структура

Р - ромбоэдрическая

РЗМ - редкоземельный металл

РЗС - редкоземельное соединение

РЗЭ - редкоземельный элемент

СЭ - солнечный элемент

ТКС - температурный коэффициент сопротивления ТОПЗ - ток, ограниченный пространственным зарядом ТФМ - термофлуктуационная модель

ТПМ - тугоплавкие металлы

УФ - ультрафиолетовое

ФЭП - фотоэлектрический преобразователь

ХСП - халькогенидный стеклообразный полупроводник

ЭДС - электродвижущая сила

ЭП - элемент памяти

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В настоящее время контакты металл - полупроводник и структуры на их основе нашли исключительно широкое применение в производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем. Они участвуют практически во всех исследованиях физических свойств полупроводников. В одних случаях такие контакты являются активными элементами, определяющими полезные свойства полупроводникового прибора (например, диода, фотодиода или полевого транзистора с барьером Шоттки и т.п.), в других -пассивными, роль которых сводится к подведению электрического тока. Однако и в этом случае их влияние может быть существенным: так, например, они обусловливают рекомбинацию, шумы и т.п. Области применения контактов металл - полупроводник непрерывно расширяются. Такое обширное применение полупроводниковых приборов с барьером Шоттки в последние годы стало возможным, во-первых, в связи с развитием теории контакта металл-полупроводник, во-вторых, из-за совершенствования технологии получения неприжимных контактов металл-полупроводник.

Широкое применение контактов металл - полупроводник и полупроводниковых приборов на их основе вызывает необходимость поиска и исследования характеристик новых контактных систем, обладающих разнообразными функциональными свойствами. К числу перспективных металлов для создания эффективных барьеров Шоттки с кремнием р - типа проводимости относятся редкоземельные элементы (РЗЭ), имеющие малую величину работы выхода электронов и позволяющие реализовать в контакте с р - кремнием большие по величине потенциальные барьеры. С этой точки зрения данная система перспективна для физических исследований и практических приложений в связи с возможностью получения значительных по величине барьеров, обладающих высокой эффективностью. Однако к моменту постановки настоящей работы в литературе отсутствовали экспериментальные данные о значении высоты барьера Фь в системе кремний- редкоземельный металл (РЗМ) за исклю-

чением одной работы, в которой Фь«0,7 эВ получена для контакта р-кремния с иттербием, тербием и эрбием. Совершенно не нашли отражения в литературе физическая модель, фотоэлектрические свойства поверхностно-барьерных диодов (ПБД) на основе контакта редкоземельного элемента- кремний и сведения о возможности их практического использования.

Актуальной задачей полупроводниковой электроники является также улучшение параметров и характеристик полупроводниковых приборов и элементов интегральных схем. Значительных успехов в этой области в последние годы удалось достичь вследствие применения новых материалов - тонкопленочных силицидов металлов. Пленки этих соединений перспективны для создания низкоомных контактов, поверхностно - барьерных диодов, электродов затворов МДП - приборов, выполняемых по самосовмещаемой технологии, в интегральных схемах, межэлементных пленочных электрических соединений. Кроме этих, становящихся уже традиционными, областей применения, силициды могут послужить базовым материалом для новых, перспективных технологических процессов производства сверхбольших интегральных схем будущих поколений. Большие возможности открываются для процессов твёрдо-фазной эпитаксии с использованием слоев силицидов, ионной имплантации тугоплавких металлов через тонкие слои силицидов, применения силицидов в оптоэлектронных устройствах длительного хранения информации.

Силициды металлов, обладая высокой стабильностью, термической устойчивостью, хорошей адг