Гетерофазные процессы в пленочных сенсорных структурах на кремнии

• Автор: Тутов, Евгений Анатольевич
• Шифр специальности: 02.00.21
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Воронеж
• Количество страниц: 294 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СТРУКТУРЫ ДЛЯ СЕНСОРОВ

И МЕТОДЫ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Механизмы сорбционной чувствительности полупроводниковых материалов и структур.

1.1.1. Адсорбция газов на оксидных полупроводниках.

1 Л.2. Газочувствительные структуры с гетеропереходами.

1.1.3. Физические принципы работы и характеристики

микроэлектронных сенсоров влажности.

1.2. Методы исследования электронных процессов

в полупроводниковых гетероструктурах.

1.2.1. Исследование гетерогенных структур на постоянном
и переменном токе.
1.2.2. Физические основы метода высокочастотных вольтфарадных характеристик структур металлдиэлектрикполупроводник МДП.
1.3. Воздействие гармонических высокочастотных и импульсных электромагнитных излучений ЭМИ на материалы
и твердотельные структуры.
1.4. Основные выводы главы 1
ГЛАВА 2. КРЕМНИЕВЫЕ МОП СТРУКТУРЫ
С ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИМИ МЕТАЛЛОКСИДНЫМИ ПОЛУПРОВОДНИКАМИ
2.1. Дефектообразование в оксидных слоях на кремнии, стимулированное электромагнитным излучением ЭМИ.
2.1.1. Необратимые изменения параметров МДП структур
после воздействия импульсного ЭМИ.
2.1.2. Динамические изменения параметров МДП структур
под воздействием импульсного ЭМИ
2.2. Фазо и дефектообразование при термооксидировании тонких пленок металлов на кремнии
2.2.1. Получение металлоксидных слоев на кремнии
2.2.2. ВЧ ВФХ и динамические ВАХ МОП структур
с нестехиометрическими оксидами .x, X x.
2.2.3. ВЧ ВФХ и динамические ВАХ МОП структур
со стехиометрическими оксидами металлов.
2.3. Статические ВАХ и механизмы токопсрсноса
в структуре i.
2.4. Высоко и низкочастотная поверхностная емкость распределенных гетероструктур полупроводникметалл
при адсорбции донорньтх и акцепторных газов.
2.5. Электрофизические характеристики анодных оксидных пленок
в условиях сорбции паров воды
2.6. Основные результаты главы 2ИЗ
ГЛАВА 3. КРЕМНИЕВЫЕ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ С АМОРФНЫМИ
ПЛЕНКАМИ ТРИОКСИДА ВОЛЬФРАМА.
3.1. Структурноэнергетические основы функциональных применений аморфных нанокристаллических пленок триоксида вольфрама
3.1.1. Получение и основные физические свойства тонких пленок триоксида вольфрама
3.1.2. Изменения ближнего атомного порядка в пленках
в процессах окрашивания, абсорбции и старения
3.1.3. Электронная структура и зарядовые состояния пленок триоксида вольфрама и гетероструктур i.
3.2. МДП структуры с аморфным триоксидом вольфрама
в условиях сорбции паров воды
3.2.1. Частотные свойства в зависимости от относительной
влажности
3.2.2. ВЧ ВФХ МДП сенсора влажности и кинетика сорбциидесорбции паров воды.
3.2.3. О растекании заряда но гидратированному диэлектрику
3.3. Сенсорные свойства тонких пленок аОз
и гетероструктур аУс
3.3.1. Диссоциативная абсорбция водорода и водородсодержащих газов пленками аЮ
3.3.2. Адсорбционная чувствительность пленок аЛЮ3 к диоксиду азота.
3.3.3. Химические и оптические сенсоры на основе гетсроструктур аУНОзсЬ
3.4. Основные результаты главы
ГЛАВА 4. ПОРИСТЫЙ КРЕМНИЙ И ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ рогБУсБьШ
4.1. Пористый кремний новый материал сенсорики
4.2. Гетероструктуры с пористым кремнием в условиях сорбции
паров воды
4.2.1. Адсорбционноемкостная порометрия
4.2.2. ВЧ ВФХ сенсоров влажности и кинетика сорбциидесорбции
паров воды.
4.3. Неравновесные и фотостимулированные процессы в сенсорных гетероструктурах рогс
4.4. О возможном электролизе воды в сенсорах влажности
4.5. Физикохимия взаимодействия пористого кремния с водой
4.6. Основные результаты главы
ГЛАВА 5. МДП СТРУКТУРЫ С ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫМИ
ДИЭЛЕКТРИКАМИ В УСЛОВИЯХ СОРБЦИИ
ПАРОВ ВОДЫ.
5.1. Полиамиды ПА получение, основные свойства, применение.
5.1.1. Исследование сорбции паров воды в пленках полиамидов
на переменном токе
5.1.2. ВЧ ВФХ емкостного сенсора влажности с ПА диэлектриком
5.2. Электрофизические и сорбционные характеристики гетероструктуры прополискремний.
5.3. Электрофизические и сорбционные характеристики тонких пленок гидроксиапатита кальция на кремнии.
5.4. Метод динамическот конденсатора в исследованиях электронных процессов на поверхности полупроводников.
5.5. Основные результаты главы 5.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА


Попрежнему высок интерес исследователей к пленкам оксида цинка и структурам на его основе для газовых сенсоров. Поскольку функциональные свойства металлоксидных пленок и МОП структур с ними существенным образом зависят от характеристик электрически активных точечных дефектов, их изучению в ряде работ уделено специальное внимание , . В частности, анализ вольтамперных характеристик ВАХ для кремниевых МОП структур с оксидами редкоземельных металлов позволил установить, что одним из характерных механизмов токопереноса является механизм ПулаФренкеля , , связанный с термополевой ионизацией локальных дефектных центров. Исследованные электрофизические и, в том числе, вольтамперные характеристики, отличаются широким качественным разнообразием, связанным с неоднозначностью механизмов токопереноса в таких структурах. Способность оксидных материалов детектировать молекулы в газовой фазе обусловлена их фундаментальными физическими и химическими свойствами. Электропроводность широкозонных полупроводников в области температур К сильно зависит от состояния поверхности. При таких температурах на поверхности оксидов протекают окислительновосстановительные реакции. Химические свойства поверхности также играют важную роль в механизме газовой чувствительности. Поверхность оксидов характеризуется хорошими адсорбционными свойствами и высокой реакционной способностью, которые обусловлены наличием свободных электронов в зоне проводимости, поверхностных и объемных кислородных вакансий, а также активного хемосорбированного кислорода. Используемые полупроводниковые оксиды представляют собой поликристалл ические материалы с размером зерен 0 нм. С уменьшением размеров кристаллитов в сенсорном материале увеличивается доля поверхностных атомов и, соответственно, эффективная адсорбирующая поверхность, а также вклад поверхности
в электрофизические свойства. Схематически структура поликристаллического материала представлена на рис. Каждый кристаллит покрыт слоем хемосорбированного кислорода, в результате чего формируются приповерхностный слой, обедненный носителями заряда, а также межкристаллитные энергетические барьеры для носителей заряда, называемые двойными барьерами Шоттки. Рис. Схема структуры поликристаллического оксида вверху и соответствующая зонная диаграмма внизу. Проводимость такой системы будет определяться электронными свойствами объема кристаллитов и транспортом носителей через межкристаллитные барьеры. Можно выделить два механизма электропроводности поликристаллического материала. Механизм поверхностных ловушек ii . Проводимость определяется изменением концентрации носителей заряда в обедненном слое межкристаллитные барьеры не вносят вклада в электропроводность. Такой механизм может реализоваться либо в случае поверхностной проводимости при адсорбции на монокристаллическом материале, либо когда межкристаллитные барьеры малы. Механизм барьерной проводимости iii . Интегральная концентрация носителей принимается постоянной, а их подвижность изменяется. Такой механизм характерен для любого пол и кристаллического материала, если энергия межкристаллитных барьеров превышает среднюю тепловую энергию кТ. Основным параметром является высота барьера на границе кристаллитов. Обеднение приповерхностного слоя носителями заряда и формирование поверхностного потенциального барьера характерны для обоих механизмов. Однако в первом случае носители движутся вдоль межфазной границы или поверхности, а во втором случае через потенциальный барьер. Можно показать, что в материалах с барьерным механизмом электропроводности небольшое изменение поверхностного заряда приводит к существенному изменению проводимости экспоненциальная зависимость. В случае же отсутствия межкристаллитных барьеров эффект менее выражен линейная зависимость. Таким образом, системы с барьерным механизмом проводимости потенциально привлекательны для использования в качестве чувствительных элементов газовых сенсоров 5. Системы с гетеропереходами гетсроструктуры состоят из двух или более слоев, различающихся химическим составом и электронными свойствами.