Электронные и сорбционные процессы в сенсорах на основе гетероструктуры кремний / металлоксидный полупроводник

• Автор: Тутов, Евгений Евгеньевич
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Воронеж
• Количество страниц: 109 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ЕЛАВА 1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И СТРУКТУРЫ
ДЛЯ ХИМИЧЕСКИХ И ГАЗОВЫХ СЕНСОРОВ (обзор)
1.1. Электронные процессы в полупроводниковых гетероструктурах
и методы их исследования
1.1.1. Физическая модель поверхности полупроводника и области пространственного заряда
1.1.2. Электронные свойства структур металл-диэлектрик-полупроводник
1.1.3. Основные понятия теории комплексной диэлектрической проницаемости
1.1.4. Механизмы сорбционной чувствительности полупроводниковых материалов и структур
1.2. Металлокспдные полупроводники
1.3. Газочувствительные структуры с гетеропереходами
1.3.1. МДП сенсоры с «активным» затвором
1.3.2. МДП сенсоры с «активным» диэлектриком
1.4. Выводы и постановка задачи исследований
ГЛАВА 2. ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ С ПОРИСТЫМ КРЕМНИЕМ
В УСЛОВИЯХ СОРБЦИИ ПАРОВ ВОДЫ
2.1. Пористый кремний — новый материал сенсорики
2.2. Получение пористого кремния и методика эксперимента
2.3. ВЧ ВФХ сенсора влажности и кинетика сорбции-десорбции
паров воды
2.4. О возможном электролизе воды в сенсорах влажности
2.5. Основные результаты главы

ГЛАВА 3. МДП СТРУКТУРЫ С АМОРФНЫМ ТРИОКСИДОМ
ВОЛЬФРАМА В УСЛОВИЯХ СОРБЦИИ ПАРОВ ВОДЫ
ЗЛ. Получение и основные свойства аморфных пленок
триоксида вольфрама
3.2. Частотные свойства а-’УЮз в зависимости от относительной влажности
3.3. ВЧ ВФХ МДП сенсора влажности и кинетика сорбции-десорбции паров воды
3.4. О растекании заряда по гидратированному диэлектрику
3.5. Основные результаты главы
ГЛАВА 4. ФАЗО- И ДЕФЕКТООБРАЗОВАНИЕ ПРИ ОКСИДИРОВАНИИ ТОНКИХ ПЛЕНОК МЕТАЛЛОВ НА КРЕМНИИ
4.1. Получение металлоксидных слоев на кремнии
4.2. ВЧ ВФХ и динамические ВАХ МОП структур с нестехиометрическими оксидами (¥03_х, БпОг-х, РсЮх)
4.3. ВЧ ВФХ и динамические ВАХ МОП структур со стехиометрическими оксидами металлов
4.4. Основные результаты главы
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В большинстве современных устройств микроэлектроники активно действующей областью приборов, как правило, является тонкий слой полупроводника, приповерхностная область или граница раздела двух сред. Развитие планарной технологии привело к созданию структур типа металл-диэлектрик-полупроводник (МДП). Диэлектрическим слоем может служить весьма широкий круг материалов, включающий оксиды полупроводников и металлов, поэтому часто используют название МОП структуры.
Электроника многослойных полупроводниковых гетероструктур, в особенности кремниевых МДП и МОП структур, в настоящее время является и по прогнозам будет оставаться одним из самых динамично развивающихся направлений твердотельной микро- и наноэлектроники, базирующимся на фундаментальных достижениях физики конденсированных сред, химии и технологии поверхностей и межфазных границ металлов, полупроводников и диэлектриков [1].
Разработка микроэлектронных интегральных сенсоров является перспективным научно-техническим направлением в создании новой элементной базы для современных измерительно-информационных систем. Возможность использования достижений кремниевой технологии является немаловажным фактором при выборе вариантов первичных измерительных преобразователей, в том числе сенсоров влажности [2]. Кроме того, устойчивая тенденция к уменьшению толщины рабочих и изолирующих слоев стимулирует поиск альтернативных диэлектриков с более высокой по сравнению с диоксидом кремния величиной диэлектрической проницаемости для будущих поколений полевых структур.
Планарная конструкция МДП приборов различного функционального назначения, работа которых основана на использовании эффекта поля в приповерхностной области полупроводника, особенно чувствительна

На рис. 13 приводятся зависимости тангенса угла диэлектрических потерь от частоты. Чем выше сквозная проводимость, тем выше поднимается кривая. При большой сквозной проводимости релаксационный максимум может быть не виден.
Диэлектрические явления, описываемые совокупностью формул (30)-(33), связаны с выделением поляризационных зарядов на границе между слоями диэлектриков в процессе их миграции в электрическом поле, из-за чего этот механизм поляризации получил названия миграционного, межслойного или поверхностного. Время релаксации т обусловлено временем формирования поляризационного заряда на границе между диэлектриками [14, 15].
1.1.4. Механизмы сорбционной чувствительности полупроводниковых материалов и структур.
В науке о явлениях на поверхности к числу наиболее существенных процессов относится адсорбция. Она наблюдается на границах раздела фаз и представляет собой процесс самопроизвольного перераспределения компонентов системы между поверхностным слоем и объемной фазой. Суть этого явления состоит в том, что молекулы или атомы из объема одной фазы взаимодействуют с поверхностью раздела фаз и при этом находятся на ней некоторое время, что приводит к повышению концентрации атомов или молекул на поверхности по сравнению с концентрацией в объеме. Если одна фаза - газ, то возможно два случая взаимодействия молекул газа с поверхностью: первый - упругое отражение, второй - захват и пребывание на поверхности некоторое время, которое принято называть средним временем жизни молекул в адсорбированном состоянии.
Несмотря на то, что адсорбция происходит на границе раздела фаз, принято более плотную фазу (фазу, определяющую форму поверхности) называть адсорбентом. Адсорбент может быть твердым и жидким. Вещество,