Нестационарные процессы в пленках линейных диэлектриков и сегнетоэлектриков

• Автор: Косцов, Эдуард Геннадьевич
• Шифр специальности: 01.04.04
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 57 с. : ил.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Краткое содержание работы

Часть I. Нестационарные процессы в тонких слоях диэлектрика.

1.1 Переходной ток монополярной инжекции в диэлектрических слоях.

1.2 Переходной ток в диэлектрических пленках при нелинейных условиях на границе.

1.3 Переходной ток в высокоомных полупроводниках.

-1.4. Фотоиндуцированный переходной инжекционный ток в диэлектрике с ловушками.

1.5. Переходной процесс в диэлектрике в сильных электрических полях.

1.6. Алгоритм экспериментального установления механизма прохождения переходного тока монополярной инжекции в диэлектрических слоях.
1.7. Особенности использования времяпролетной методики определения подвижности носителей заряда в диэлектрике.

1.8 Локальный характер токопереноса в тонкопленочных М-Д-М- структурах.

1.9. Исследование механизмов пробоя тонких диэлектрических пленок.

I.10 Детонационный пробой диэлектрика.
Часть II Научные основы создания нового поколения элементов микроэлектроники на базе сегнетоэлектрических пленок.
II. 1 Исследование пироэлектрических явлений в тонких пленках ниобата бария стронция.
II.2 Тонкопленочные пироэлектрические приемники излучения.
111.3 Исследование электрооптических эффектов в сегнетоэлектрических пленках.
11.4 Реверсивная запоминающая среда на основе тонких электрооптических пленок.
11.5 Элементы постоянной памяти репрограммируемые электтаческим лодем.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы
Диэлектрические пленки все более широко используются в различных областях науки и техники, например, в микроэлектронике, электротехнике, электромеханике и т.д. В большинстве практически важных случаев диэлектрический слой находится под воздействием нестационарных электрических полей, при этом стремление к повышению качества многих электронных устройств обуславливает необходимость максимального увеличения напряженности электрического поля Е в диэлектрике, приближающейся к значениям близким к предпробивным.
Одним из наиболее существенных факторов определяющих характер протекания электрофизических процессов в диэлектрическом слое является поступление носителей заряда в объем образца из инжектирующего контакта. С увеличением ширины запрещенной зоны влияние условий на границе (на контакте) возрастает, поскольку концентрация собственных свободных носителей заряда уменьшается. Однако к настоящему времени теоретическое и экспериментальное исследование нестационарных инжекционных токов и связанных с ними явлений пробоя в диэлектриках носит в значительной мере фрагментарный характер, ограничиваясь описанием переноса заряда в конкретных диэлектрических материалах, без достаточно детального анализа влияния на эти процессы условий на контактах, которые особенно важны в случае тонких диэлектрических пленок.
Исследования последних лет показали, что создание новых поколений элементов электроники связывается с применением пленок полярных диэлектриков (сег-нетоэлектриков), при этом с внедрением этих материалов в микроэлектронику неизбежно и их крупномасштабное практическое использование. В связи с этим представляется актуальной совокупность задач, связанных с разработкой технологии изготовления высококачественных сегнетоэлектрических пленок, созданием на их основе многослойных структур, исследованием характерных для них нестационарных процессов, созданием на базе пленок полярных диэлектриков элементов микроэлектроники с параметрами более высокими, чем у современных аналогов.
Настоящая работа посвящена решению вопросов, относящихся к вышеуказанным актуальным проблемам.
Целью работы являлось:
- установление основных закономерностей протекания в диэлектрике переходного тока в условиях ограниченного уровня инжекции с контакта, выявление роли объемного заряда на характер релаксации тока на различных стадиях процесса;
- установление связи условий на инжектирующем контакте с закономерностями переноса заряда в диэлектрике;
- установление влияние микрорельефа поверхности электродов на поведение ин-жекционного тока в диэлектрических пленках;
- описание процесса пробоя диэлектриков, обусловленного развитием тепловой неустойчивости, как на инжектирующем контакте, так и в объеме образца, анализ особенностей развития разряда в пространстве и времени;
- изучение закономерностей процессов переполяризации в тонких сегнетоэлектрических пленках, и закономерностей прохождения в них импульсных пиро-

Основные результаты работы
1. Создана теория переходных токов в диэлектрических слоях при ограниченном уровне монополярной инжекции. Показано, что возможно только 6 механизмов процесса релаксации полного тока. Установлено соотношение основных параметров, определяющих перенос заряда в диэлектрике для всех шести механизмов и характерные признаки каждого из них. Показано, что вне зависимости от механизма переходного процесса можно выделить три четко определяемые стадии релаксации полного тока.
Предложен алгоритм экспериментального определения механизма переходного процесса, знание которого позволяет достоверно определить совокупность микроскопических параметров характеризующих перенос заряда в диэлектрике.
2. Показано, что полевая зависимость концентрации носителей заряда на инжектирующей границе (экспоненциальный по полю закон эмиссии), определяет на участке экранировки спад полного тока во времени по закону 1/1. Этот эффект нашел экспериментальное подтверждение в широком диапазоне изменения полного тока протекающего через диэлектрик (более семи порядков)- при исследовании переноса заряда в МДП-структурах
3. Выявлен новый тип переходного процесса в примесном диэлектрике (высокоомном полупроводнике), связанный с компонентой тока инжекции носителей заряда из контакта в момент перезарядки примесных центров. Показано, что эта компонента обуславливает появление минимума величины полного тока во времени. Определены условия проявления указанного типа переходного процесса. Показано, что он дает возможность объяснить природу отрицательных пиков в токовых релаксационных спектрах наблюдаемых в высокоомных полупроводниках.
4. Установлен локальный по поверхности электродов характер прохождения инжек-ционного тока в тонкопленочных МДМ и МДП - структурах, обусловленный проявлением микрорельефа поверхности границы раздела двух сред, наличием на поверхности электродов микровыступов, с радиусом кривизны 10 -10'9 м. Высокая степень концентрации напряженности электрического поля у вершин микровыступов определяет как механизм прохождения инжекционного тока, так и основные закономерности нарушения электрической прочности тонкой диэлектрической пленки.
5. Создана теория пробоя диэлектрических пленок, основанная на формировании в условиях медленного захвата носителей заряда тепловой неустойчивости вблизи инжектирующего контакта. Показано, что развитие лавинообразных тепловых процессов в диэлектрическом слое является одной из основных причин нарушения электрической прочности в тонкопленочных структурах металл-диэлектрик-металл. Получено описание Б- образного участка вольтамперной характеристики в тонкопленочных МДМ -структурах, основанное на возможности создания обратимой тепловой неустойчивости в канале повышенной проводимости.
6. Разработана теория пробоя диэлектрика, впервые описывающая развитие разряда в пространстве и времени с учетом захвата носителей заряда ловушками и формирования в объеме образца тепловой волны. Определены условия, при которых объемный заряд, сосредоточенный вблизи инжектирующего контакта способен выполнять роль детонатора, инициирующего развитие пробоя.
7. Впервые в тонких сегнетоэлектрических пленках обнаружен продольный электро-оптический эффект. Создан, на основе пленок ниобата бария стронция, тонкопленочный электрооптический модулятор света - новый компонент интегральных схем. Продемонстрирована возможность его работы в динамическом режиме при длительности импульсов 10'7 с и менее с глубиной модуляции 80%.
8. Обнаружен эффект усиления туннельного тока в М-С-Д-П - структуре с туннельно-