Размещено на http://www.allbest.ru/

Чернівецький державний університет

ім. Юрія Федьковича

Спеціальність 01.04.07 - Фізика твердого тіла

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

ФОРМУВАННЯ ГЕТЕРОСТРУКТУР Ge33As12Se55-p-Si, МЕХАНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ТА ОСОБЛИВОСТІ ПЕРЕНОСУ НОСІЇВ ЗАРЯДУ В НИХ

КОНДРАТ ОЛЕКСАНДР БОРИСОВИЧ

Чернівці - 1998

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі твердотільної електроніки і в Науково-дослідному інституті фізики і хімії твердого тіла Ужгородського державного університету.

Науковий керівник:

професор, доктор фізико-математичних наук, Лауреат Держпремії України в галузі науки і техніки, Заслужений винахідник України ДОВГОШЕЙ МИКОЛА ІВАНОВИЧ, Ужгородський державний університет, професор кафедри твердотільної електроніки

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор ВЕНГРЕНОВИЧ РОМАН ДМИТРОВИЧ, Чернівецький державний університет ім.Ю. Федьковича

завідувач кафедрою загальної фізики доктор фізико-математичних наук, пр. н. с. МАСЛЮК ВОДОДИМИР ТРОХИМОВИЧ, Інститут електронної фізики НАН України, завідувач відділом

Провідна організація - Львівський державний університет ім. Івана Франка

Захист відбудеться "19__" __лютого____ 1999 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої ради Д 76.051.01 при Чернівецькому державному університеті ім. Ю. Федьковича

274012, м. Чернівці, вул. Коцюбинського, 2.

З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці Чернівецького державного університету ім. Ю. Федьковича (м. Чернівці, вул. Л. Українки, 23).

Автореферат розіслано "_28_" _грудня__ 1998 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради КУРГАНЕЦЬКИЙ М.В.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. В наш час не зникає зацікавленість дослідників до невпорядкованих напівпровідників. Халькогенідні склоподібні напівпровідники (ХСН), відкриті Н.А. Горюновою і Б.Т. Коломійцем в 1955 році, серед невпорядкованих напівпровідників займають особливе місце, оскільки їх дослідження є основою для створення загальних уявлень про електронні явища в невпорядкованих структурах. Про це свідчить відносно велика кількість монографій, присвячених даній тематиці. Крім того аморфні плівки ХСН вже знайшли широке практичне застосування.

Дослідження властивостей гетероструктур ХСН-кристал почалося ще на початку шістдесятих років і продовжується до теперішнього часу. Проста теоретична модель гетеропереходу аморфна речовина-кристал була запропонована в 1975 р. М. Бродскі і Г. Дохлером. Вона базується на концепції змінного бар'єру Шотткі, який забезпечує переважання стрибкового механізму провідності в аморфному напівпровідникові. Висока густина локалізованих електронних станів в аморфних напівпровідниках порівняно з металами відносно мала. З іншого боку вона достатньо висока для того, щоб аморфна частина переходу була більше подібна до металевої сторони діода Шотткі, ніж до кристалічного напівпровідника. Ця модель виявилася непоганим наближенням для пояснення властивостей гетеропереходу.

Гетеропереходи між кристалічним кремнієм і плівками ХСН почали досліджуватися з метою їх застосування при розробці в 1976 році транзисторних структур, в яких плівки ХСН з притаманним їм пороговим переключенням використовувалися в ролі емітера. В наш час ведеться пошук нових комбінацій плівка ХСН-кристал з метою створення гетероструктур нового функціонального призначення, а також гетероструктур, які мають підвищену радіаційну стійкість.

Більшість робіт по розробці та дослідженню такого класу гетероструктур виконані на бінарних ХСН. Використання складних ХСН значно розширює коло комбінацій пар гетероструктур аморфна плівка-кристал. Вибір гетероструктури Ge33As12Se55 - p-Si в ролі об'єкта досліджень зроблено на основі розрахунку порогу фотоемісії стекол системи Ge-As-Se. Це дало можливість побудувати імовірну енергетичну діаграму і припустити, що розрив зон провідності для гетероструктури з використанням плівок Ge33As12Se55 повинен бути близькиим до нуля, а розрив валентної зони досить значний (~0,7 еВ). Така гетероструктура повинна мати значний коефіцієнт випрямлення. Було також враховано, що для вибраної гетероструктури є дані про розподіл основних і домішкових атомів у перехідному шарі. Плівки Ge33As12Se55 вже використовуються для створення оптичних покрить ІЧ техніки, поскільки вони прозорості в області довжин хвиль від 1 до 12 мкм, стійкі до вологи і корозійних реактивів. Крім того показана можливість їх використання для створення гетеруючих і захисних покрить до кремнієвих гетероструктур. Зацікавленість до гетероструктур, одержаних на основі цих плівок, також пов'язана з можливістю створення гетероструктур нового функціонального призначення, поскільки в них спостерігаються зворотні фотоіндуковані зміни фізичних властивостей. Але до написання даної роботи до кінця не було з'ясовано механізм переносу носіїв заряду в плівках Ge33As12Se55, невивченим залишилося питання впливу технологічних і зовнішніх факторів на механічні параметри цих плівок та ряд інших. Тому актуальним є питання дослідження електрофізичних і механічних властивостей гетеропереходів Ge33As12Se55 - Si та їх радіаційної стійкості.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційне дослідження є складовою частиною тем: "Проблема перехідного шару на границі розподілу в гетероструктурах Si (GaAs) - аморфна плівка системи Ge-As-Se" (державна реєстрація № 01910037532), "Міжфазна взаємодія і перехідні шари в плівкових оптичних структурах на основі аморфних плівок Ge-As-Sb (S, Se) і їх роль в стабілізації параметрів структур" (державна реєстрація № 0194V038490), "Формування границі в структурах підкладка - аморфна плівка багатокомпонентних халькогенідів" (державна реєстрація № 0198U003106).

Мета роботи - на основі розрахунків та експериментальних досліджень розкрити особливості переносу і накопичення носіїв заряду в гетероструктурах Ge33As12Se55 - p-Si, а також вплив на їх механічні властивості технологічних режимів одержання плівок, термообробки і високоенергетичного електронного опромінення.

У відповідності до поставленої мети в роботі необхідно було вирішити слідуючі задачі:

1. Розробити фізико-технологічні умови формування гетероструктур Ge33As12Se55 - Si.

2. Провести теоретичну оцінку параметрів осадження компонент пару стекол системи Ge-As-Se на підкладку Si та основних фізичних параметри гетеропереходу.

3. Експериментально дослідити механізм переносу носіїв заряду на постійному і змінному струмі в гетероструктурах Ge33As12Se55 - p-Si.

4. Розкрити особливості накопичення заряду в гетероструктурах Ge33As12Se55 - p-Si.

5. Встановити вплив технологічних факторів на механічні напруги та адгезійну міцність плівок Ge33As12Se55 на підкладках із Si.

6. Дослідити вплив високоенергетичного електронного опромінення на механічні напруги і край оптичного поглинання плівок Ge33As12Se55 та гетероструктур на їх основі.

Наукова новизна роботи полягає в слідуючому.

1. Вперше встановлений механізм переносу носіїв заряду через гетероперехід Ge33As12Se55 - p-Si в постійних електричних полях. Процес переносу заряду на постійному струмі при прямому зміщенні зумовлений струмами, обмеженими об'ємним зарядом, а при зворотньому зміщенні струм визначається бар'єром на межі поділу аморфна плівка - кристал.

2. Встановлено, що провідність гетероструктури Ge33As12Se55 - p-Si при частотах 10 КГц зумовлена багатофононною надбар'єрною провідністю по глибоких центрах аморфної плівки, а при частотах 1 МГц має місце стрибкова провідність по дрібним центрам в плівках.

3. Розкрита роль поверхневих станів на межі поділу гетероструктури Ge33As12Se55 - p-Si і побудована схема її енергетичних зон із врахуванням цих станів.

4. Виявлено і досліджено вплив оксидного шару на поверхні p-Si на процес переносу носіїв заряду в гетероструктурах Ge33As12Se55 - p-Si.

5. Розкрито взаємозв'язок швидкості осадження, температури підкладки і термовідпалу в процесі формування мікроструктури аморфних плівок Ge33As12Se55, напилених на підкладки із p-Si, з механічними напругами в них.

6. Встановлений пороговий характер зміни механічних напруг в гетероструктурах Ge33As12Se55 - p-Si при високоенергетичному електронному опроміненні (6,5 МеВ). Порогове значення інтегрального потоку електронів складає 1018 м-2.

Практична цінність.

1. Оптимізована технологія одержання гетероструктур аморфна плівка Ge33As12Se55 - кристал р-Si.

2. Розроблена експериментальна установка, яка дозволяє визначати число станів на межі поділу аморфна плівка-кристал.

3. Показана можливість теоретичного визначення енергії електронної спорідненості багатокомпонентних халькогенідних стекол способом, що базується на методі лінійної комбінації атомних орбіталей і псевдопотенціалів.

4. При визначенні параметрів гетероструктури показана необхідність враховувати процеси переносу носіїв заряду на контактах.

5. Розроблений метод пошуку оптимальних складів стекол, стійких до високоенергетичного електронного опромінення.

Конкретна особиста участь автора в отриманні наукових результатів.

Наукові результати, одержані при здійсненні розрахунків процесів конденсації компонент пару на підкладки [1-3, 9, 10, 20], розрахунків енергії електронної спорідненості [5, 17], середньої енергії зв'язків [13], концентрації гомоядерних зв'язків, концентрації радіаційних дефектів [14, 16], а також експериментальні дослідження вольт-амперних, вольт-фарадних характеристик [8, 22] одержані автором самостійно.

Результати структурних досліджень [15] і досліджень механічних властивостей [4, 6, 7, 11, 12] отримані автором в співавторстві. Всі висновки отримані автором самостійно.

Апробація роботи.

Основні результати роботи доповідалися і обговорювалися на Міжнарод - ному семінарі з прогресивних технологій багатокомпонентних плівок і структур (м. Ужгород, 1994р.), VI Міжнародному симпозіумі "Тонкі плівки в електроніці" (м. Лазурне, 1995р.), 10 Міжнародній конференції по тонким плівкам (м. Мадрід, Іспанія, 1996р.), Міжнародній конференції "Матеріали і властивості для інфрачервоної оптоелектроніки" (м. Ужгород, 1996р.), Міжнародному симпозіумі з прогресивних технологій багатокомпонентних плівок і структур та їх застосування у фотоніці (м. Ужгород, 1996р.), VIII Міжнародному симпозіумі "Тонкі плівки в електроніці" (м. Харків, 1997р.), VI Міжнародній конференції "Фізика і технологія тонких плівок" (м. Івано-Франківськ, 1997р.), Міжнародному симпозіумі "Фізика і технологія наноструктурованих, багатокомпонентних матеріалів" (м. Ужгород, 1998р.), Міжнародній конференції "Матеріали і властивості для інфрачервоної оптоелектроніки" (м. Київ, 1998р.), 2-му Науково-практичному симпозіумі "Вакуумні технології та обладнання" (Харків, 1998), щорічних конференціях професорсько-викладацького складу УжДУ.

Публікації. Матеріали дисертації відображені у 24 публікаціях, список яких приведений в загальному переліку цитованої літератури.

Структура і об'єм роботи. Дисертація складається із вступу, однієї оглядової і чотирьох оригінальних глав і основних висновків, викладена на 152 сторінках, включає 60 рисунків, 14 таблиць, бібліографію із 150 найменувань.

Зміст роботи

У вступі обгрунтовується актуальність теми дисертації, викладені проблеми, мета і основні завдання досліджень, формулюється наукова новизна і практична цінність роботи.

Перша глава носить оглядовий характер. В ній аналізується стан пробле - ми дослідження гетероструктур, одержаних з використанням ХСН. Приводять - ся основні відомості про типи гетероструктур і методи їх дослідження. Відмічено, що в більшості робіт відсутні відомості про тип провідності напівпровідникового матеріалу. Приводяться основні відомості про параметри, які визначають проходження зарядів в гетероструктурах аморфна плівка ХСН - кристал. Показана доцільність виготовлення на основі ХСН ізотипних р-р - гетеропереходів. Розглянуті механізми, якими описуються процеси переносу носіїв заряду під дією сильного електричного поля в ХСН і гетероструктурах, одержаних на їх основі. Відмічається, що однозначного трактування експериментальних даних про механізм переносу носіїв заряду в ХСН в сильних електричних полях немає, а також що при проведенні таких досліджень особливу увагу слід приділяти питанню відтворення експериментальних результатів і технології одержання гетероструктур ХСН - КН.

Розглянуті процеси, які протікають на межі поділу метал-ХСН і ХСН-кристал. Аналіз показав, що в гетеропереходах аморфний напівпровідник - кристалічний напівпровідник механізм протікання струму визначається станами на межі розділу. Підкреслюється, що питання про роль станів на межі поділу таких гетероструктур досить складне. Не існує простих експериментів, які б дозволили однозначно визначити число станів на межі поділу, їх розподіл та переріз їх захоплення як центрів рекомбінації. Відмічається, що недивлячись на те, що число досліджених гетероструктур ХСН - КН досить велике і в цьому напрямку вже досягнуті певні успіхи, необхідний системний підхід до проблеми пошуку і одержання гетероструктур з заданими характеристиками. Особливо актуальною залишається проблема врахування можливих процесів, які протікають в перехідних областях.

В другій главі містяться відомості про методику одержання і дослідження гетероструктур аморфна плівка Ge33As12Se55 - p-Si. Для одержання гетероструктури використовувалися халькогенідні стекла Ge33As12Se55 (ХСОП-5 по ТУ 40-УССР-1-87) і монокристалічний епітаксіальний p-Si, легований бором, марки КДБ з орієнтацією (111). Стекла Ge33As12Se55 одержані з використанням Ge марки ОСЧ "В-6", As металічного марки ОСЧ-19-5 і Se марки ОСЧ-17-4, який очищався методом вакуумної дистиляції. Обгрунтовується і викладається методика підготовки підкладок з p-Si до напилення. Коротко описані вакуумні напилювальні установки та підковпачні пристрої для напилення плівок, а також методика визначення товщини плівок.

Технологічний процес одержання гетероструктур полягав у слідуючому. Перед напиленням плівок підкладки із Si, після їх кінцевої очистки, прогріваються у вакуумній камері напилювальної установки при температурі 450 - 473 К на протязі 1 години, а потім охолоджуються до необхідної температури. В залежності від поставленої задачі температура підкладки задавалася в інтервалі від 300 до 400 К з точністю 2 К. Швидкість осадження плівок при випаровуванні із ефузійної комірки підбиралася експериментально по величині струму, що протікає через випарник, і задавалася в інтервалі від 2,0 до 10,0 нм/c з точністю не гірше 0,1 нм/c. При дискретному термічному випаровуванні швидкість подачі речовини регулювалася зміною напруги живлення електромагніта і вибиралася рівною швидкості випаровування частинок речовини, що забезпечувало одержання плівок потрібного складу. Швидкість осадження плівок регулювалася в межах 2,0 4,0 нм/с і підтримувалася з точністю не гірше 0,2 нм/с. При лазерному випаровуванні тривалість імпульса в режимі вільної генерації складала 100 мкс, а для режиму гігантських імпульсів - 20 нс. Густина потужності випромінювання лазера складала приблизно 1012 Вт/м2. Середня швидкість напилення плівок при частоті повторення імпульсів генератора 50 Гц складала приблизно 0,15 0,01 нм/c. Після охолодження підкладок і розгерметизації вакуумної системи на одержаний зразок з боку плівки кріпилася маска з круглими отворами діаметром 1,00 0,05 мм, розташованими на відстані 1-2 мм один від одного. Потім після повторної відкачки вакуумної системи проводилось термічне напилення контактів із Sb. Контакти із In наносилися на Si безпосередньо перед проведенням експерименту. Приводяться технологічні режими одержання гетероструктур.

Описані схеми установок і методика вимірювання вольт-амперних і вольт-фарадних характеристик, адгезійної міцності та механічних напруг. Електронне опромінення гетероструктур проводилося на мікротроні М 10 при густині інтегрального потоку електронів 1015 м-2с-1.

Третя глава носить розрахунковий характер. В ній викладені результати розрахунку потенціальних кривих енергії взаємодії атомів Ge, As і Se з вісімнадцятиатомними кластерами ідеального і "дефектного" Si, що дозволило запропонувати модель перехідного шару. Побудована слідуюча модель перехідного шару. Ідеальною поверхнею кристалічного кремнія атоми As переважно зв'язуються поверхнею підкладки у міжвузля (енергія зв'язку із вузлом Si значно менша); атоми Ge спочатку локалізуються над вузлами Si і в міжвузлях його поверхневого шару, однак потім в результаті теплового збудження вони можуть релаксувати у вільні міжвузля. Цей процес може сповільнюватися при низьких температурах підкладки і енергіях розпилюваних парів. Враховуючи співвідношення концентрацій атомів Ge, As і Se в паровій фазі, очікується, що при осадженні конденсатів Ge33As12Se55 на холодні підкладки перший моношар плівки буде збагачений атомами Ge і As. Прогрів підкладок і високі температури осадження можуть змінити їх співвідношення за рахунок витіснення Аs атомами Ge із положень над міжвузлями в другий моношар. Встановлено, що введення моношару кисню суттєво змінює характер взаємодії. Так, енергія зв'язку атомів Ge суттєво зменшується від 3,3 до 1,5 еВ (при Rзв=0,25 нм) при осадженні у міжвузля. Подібний характер зміни взаємодії спостерігається і для атомів As. Для атомів Se взаємодія найбільш слабка і складає "1 еВ при осадженні на вузли дефектного кристалу; у міжвузля атоми Se не осаджуються.

В рамках методу зв'язуючих орбіталей квантової хімії і псевдопотенціалів проведений для ХСН розрахунок енергії електронної спорідненості, що дозволило визначити для гетеро - структури ХСН-Si величину розриву зон провідності ЕC0 і валентної зони ЕV0,7еВ. Побудована імовірна діаграма енергетичних зон гетеропереходу а-Ge33As12Se55 - p-Si при умові нехтування ефектами, пов'язаними із станами на границі розділу.

Методом парного наближення виконано розрахунок середньої енергії зв'язку для стекол системи Ge-As-Se. Для стекол Ge33As12Se55 середня енергія розриву зв'язку складає 2,30 еВ. Приведено дані розрахунку концентрації гомоядерних зв'язків, виконаного згідно рівняння закону діючих мас. Крім того, подано дані розрахунку концентрації радіаційних дефектів, які виникають в результаті високоенергетичного (6,5 МеВ) електронного опромінення по ударному механізму. При цьому враховувалися релятивістські ефекти і використано квантово-механічний підхід при визначенні поперечного перерізу розсіяння, який апроксимується формулою Мак-Кінлі-Фешбаха. Відомо, що в халькогенідних матеріа - лах концентрація власних дефектів складає величину Nc1024м-3. Показано, що при нехту - ванні вторинними зміщеннями атомів концентрація радіаційних дефектів зміщення в стеклах системи Ge-As-Se, які виникають в результаті їх електронного опромінення інтегральним потоком 1021 м-2, складає по відношенню до власних дефектів приблизно 1%. В стеклах Ge33As12Se55 розрахункове значення концентрації радіаційних дефектів складає 5,21022м-3.

В четвертій главі приводяться дані дослідження електрофізичних властивостей гетероструктури Ge33As12Se55 - p-Si. Подано також дані по дослідженню вольт-амперних характеристик (ВАХ) для плівок Ge33As12Se55. Їх аналіз показує, що для "сендвіч"-структур, при використанні контактів із Sb, ВАХ описується степеневим законом j~Vn, де j - густина струму, V - напруга, n=2,7. В даному випадку це може свідчити про наявність струмів, обмежених просторовим зарядом. При використанні контактів із In ВАХ описується експоненціальним законом J~exp (const V), що може свідчити про утворення на контакті бар'єра Шотткі. Для планарних структур спостерігалось різке збільшення густини струму, яке пов'язується з граничним заповненням вловлювачів, що дозволило розрахувати концен - трацію вловлювачів, яка складає Nt = 71021 м-3еВ-1 при ширині зони розподілу центрів захвату Е = 0,025 еВ. Досліджена температурна залежність електропровідності плівок з інжектуючими контактами, що дозволило визначити енергію активації провідності (0,15 еВ), а також роз - рахувати значення рухливості по нелокалізованим станам (210-3м2В-1с-1).

Дослідження ВАХ гетероструктур Ge33As12Se55 - p-Si показало, що вони мають випрямляючі властивості, які залежать від типу використовуваних контактів. При прямому зміщенні перенесення струму в гетероструктурах з інжектуючими контактами (Sb) визначається провідні - стю плівки, а в гетероструктурах з блокуючими контактами (In) - висотою бар'єра електрод - аморфна плівка. При зворотньому зміщенні струм в основному обмежується бар'єром на межі поділу кристал - аморфна плівка. Для гетероструктури енергія активації електропровідності складає 1,38 еВ.

Встановлено, що конкретний механізм провідності в плівках Ge33As12Se55 залежить як від температури, так і від частоти. Для частотного діапазона, що описується виразом 1 = =const (=0,5-1), в температурній області від 294 до 357 К має місце багатофононна надбар'єрна провідність, зумовлена стрибками по акцепторним Д0 рівням (~0,6 еВ). Провідність, що описується виразом 2 = const2, також пов'язана зі стрибковою провідністю, але по дрібним рівням (Д - центрам) з малою міжцентровою віддаллю, які розташовані вище валентної зони на 0,17 еВ. Показано, що провідність гетероструктури Ge33As12Se55 - p-Si на змінному струмі обумовлена провідністю аморфної плівки Ge33As12Se55.

Вивчено вплив величини змінної напруги і частоти на ефективну ємність, динамічну провідність структур In - p-Si - In і гетероструктур Ge33As12Se55 - p-Si з товщиною аморфних плівок 0,1 мкм і 0,5 мкм. Для гетероструктури з товщиною плівки 0,5 мкм напруга, при якій відсутня залежність ємності від змінної напруги в частотному діапазоні 0,5-10,0 КГц, складає не більше 0,2 В. Для гетероструктури з плівкою товщиною 0,1 мкм область, де ємність незалежить від напруги, спостерігається при частотах 5 і 10 КГц, причому одночасно обом частотам відповідає максимально допустима напруга 0,1 В. Область, в якій спостерігається залежність ємності від змінної напруги, визначається ємнісною складовою переходу In - p-Si. Провідність гетероструктури, виміряна на змінному струмі, на ділянках незалежності її від напруги визначається провідністю p-Si. Роль провідності плівки товщиною 0,5 мкм стає визначальною при змінних напругах більше 0,5 В. Роль провідності плівки товщиною 0,1 мкм помітна на частотах 0,5 і 1,0 кГц при змінних напругах менше 0,3 В. Ці висновки підтверджують частотні залежності провідності на змінному струмі, виміряні при різних значеннях змінної напруги. При змінній напрузі більше 0,5 В справедлива залежність G~fn, де n=0,8, що відповідає частотній залежності провідності плівок Ge33As12Se55. Ємність гетероструктур із збільшенням частоти падає, що характерно для діелектричних плівок, халькогенідних склоподібних напівпровідників і структур метал-окисел-напівпровідник.

Приведені результати дослідження вольт-фарадних характеристик (ВФХ) для структури In - p-Si - In та гетероструктури Ge33As12Se55 - p-Si з інжектуючими і блокуючими контактами. Аналіз показує, що для тонких плівок (0,1 мкм) при від'ємному зміщенні, прикладеному до гетероструктури, з'являється індуктивна складова комплексної провідності. Наявність окисного шару на межі поділу приводить до спотворення ВФХ. При використанні блокуючих контактів це проявляється в області додатніх зміщень - спостерігається ріст ємності з напругою, що не характерно для ізотипних гетеропереходів. ВФХ гетероперехода з інжектуючими контактами при додатньому зміщенні обмежується ємністю оксидного шару.

При досліджені ВФХ виявлено гістерезисні явища, пов'язані з захопленням носіїв заряду на поверхневі стани.

Визначені основні параметри досліджуваної гетероструктури: число станів на межі поділу (1,31016 м-2), розрив краю валентної зони (0,85 еВ), викривлення зон на межі поділу в Si (0,4 еВ) та аморфній плівці Ge33As12Se55 (0,55 еВ). Запропонована імовірна діаграма енергетичних зон гетеропереходу із врахуванням поверхневих станів на межі поділу.

Відмічено, що коефіцієнт випрямлення гетероструктури з плівкою товщиною 0,5 мкм при використанні інжектуючих контактів складає ~5103, що, при врахуванні їх високої адгезійної міцності, низьких механічних напруг, а також їх стійкості до корозійних і хімічних реактивів і впливу високоенергетичного електронного опромінення, свідчить про можливість використання таких гетероструктур (крім відомих застосувань) в якості ефективних і надійних випрямлячів, датчиків електромагнітного випромінювання, стабілізуючих покрить до кремнієвих структур та ін.

В п'ятій главі приведені результати дослідження механічних характеристик гетероструктур Ge33As12Se55 - p-Si і розглянуто питання радіаційної стійкості плівок Ge33As12Se55, порівняно з плівками інших складів системи Ge-As-Se, до високоенергетичного (6,5 МеВ) електронного випромінювання.

Виявлено, що механічні напруги в плівках збільшуються з ростом швидкості їх осадження до 5,5 нм/с, а потім зменшуються при подальшому зростанні швидкості осадження. З плином часу відбувається повільний релаксаційний процес, який найбільш сильно проходить в плівках, які одержані при низьких швидкостях осадження. Дослідження залежності величини напруг від температури відпалу плівок, одержаних при швидкості осадження 4 нм/с на непідігрітих підкладках, показали, що при нагріванні свіжонапилених плівок напруги лінійно зменшуються, змінюють знак, а при температурі, близькій до 450 К, знову зменшуються. Послідуюче охолодження плівки приводить до збільшення в ній напруг. Дослідження залежності напруг в плівках від часу опромінення електронами показали, що вона має пороговий характер при інтегральному потокові електронів 1018 м-2. В результаті опромінення при Ф>1018 м-2 механічні напруги в свіжонапилених і відпалених плівках зменшуються. Після відпалу плівок, опромінених інтегральним потоком електронів більше 1018 м-2 механічні напруги збільшуються. Встановлено, що із збільшенням температури підкладки початкові механічні напруги в плівках зростають. Після охолодження плівок до кімнатної температури в них виникають додатково термічні напруги. Після відпалу плівок напруги збільшуються, а залежність їх від температури підкладки стає незначною. Спостереження в електронному мікроскопі структури і дифракційних картин плівок, отриманих при швидкостях осадження 2 нм/с на непідігрітих підкладках дозволило встановити, що їх структура аморфна і не виявляє яких-небудь особливостей. Дослідження мікроструктури плівок, отриманих при швидкостях 15 нм/с, показало, що вони мають дрібнозернисту структуру з розмірами мікрокристалітів (кластерів) приблизно 20-30 нм.

Дослідження мікроструктури плівок після відпалу показало, що вони мають дрібнозернисту структуру з розмірами мікрокристалітів до 50 нм. Підвищення температури підкладки Тs, а також нагрівання плівок до темпера - тури, вищої від Тк*=450 К, приводить до кластеризації плівки, причому подальше збільшення температури викликає збільшення розмірів кластерів.

Електронномікроскопічні дослідження показали, що при електронно - му опроміненні свіжонапилених плівок інтегральним потоком електронів більше 1020 м-2 спостерігалося помітне виділення кристалічної фази, а при опроміненні відпалених плівок на мікровідбитках спостерігалися пори і пустоти, а також темні п'ятна, структура яких аморфна. Зменшення напруг в свіжонапилених і відпалених плівках після електронного опромінення, очевидно, зумовлено дефектами зміщення атомів, в результаті чого в плівці виникають пори значних розмірів. Відпал плівок приводить до зникнення пор, в результаті чого макронапруги в плівці збільшуються.

Особливості поведінки напруг в плівках, які одержані при високих швидкостях осадження і температурах підкладки, а також при термічному відпалові пов'язуються з переходом від двохмірної структури до трьохмірної. Електронне опромінення приводить до суттєвих структурних змін і не приводить до зворотнього топологічного структурного переходу.

Аналіз складу перехідного шару по Оже-спектрам показав що для плівок, отриманих лазерним випаровуванням в режимі вільної генерації (ВГ) і гігантських імпульсів (ГІ), співвідношення компонент Ge, As, Se i O2 приблизно одинакове; відмінність спостерігається тільки у вмісті вуглецю. Припускається, що атоми вуглецю захоплюються із робочого об'єму камери, а атоми кисню можуть бути зв'язані містками типу Si-O-Si з підкладкою (зв'язаний кисень в двохокислі або моноокислі кремнія). На користь останнього припущення вказують практично однакові рефлекси О2 на Оже-спектрограмах. Відношення вмісту кисню і вуглецю в перехідних шарах складає: для терморезистивного методу - 1/8; для лазерного (ГІ) - 1/2; для лазерного (ВГ) - 1/1. Величина перехідного шару для різних методів напилення складає: терморезистивне - 4050 нм; лазерне (ГІ) - 3040 нм; лазерне (ВГ) - 6070 нм.

Досліджено також вплив методу напилення плівок на їх адгезійну міцність до підкладок із p-Si. Встановлено вплив швидкості осадження і температури підкладки при термічному напиленні плівок на їх адгезійну міцність. Зроблено висновок, що адгезійна міцність визначається структурними напругами в плівці. При високих швидкостях осадження збільшується виділення прихованої теплоти конденсації, що приводить до збільшення числа міжатомних зв'язків, що обумовлює збільшення степені кластеризації плівки. Також вивчена її залежність від товщини плівок, одержаних лазерним напиленням в режимах ВГ та ГІ при температурах підкладки 300 і 373 К. Результати проаналізовано із врахуванням даних аналізу складу перехідного шару, визначеного методом Оже-спектроскопії.

На прикладі стекол системи Ge-As-Se запропонована методика пошуку складів, радіаційно стійких до високоенергетичного електронного опромінення. За перший критерій їх радіаційної стійкості взято відношення розрахованих значень концентрації радіаційних дефектів, які виникають по ударному механізмові, до розрахункових значень концентрації власних дефектних центрів, пов'язаних з існуванням в них гомополярних зв'язків Для врахування можливості виникнення електронно-індукованої кристалізаціїї введено другий критерій радіаційної стійкості, який дорівнює відношенню різниці між температурою плавлення і кімнатною температурою до кімнатної температури (300 К). Вибір оптимального складу скла проведений на основі схеми компромісів Салуквадзе, у відповідності з якою вказані два критерії стекол зводяться до критерія векторної оптимізації. Розрахунки показали, що вибраний оптимальний склад близький до складу Ge17As33Se50, який має однакову концентрацію просторово трьохмірних тетраедричних структурних одиниць GeSe4/2 і псевдотетраедричних структурних одиниць As2Se4/2.

Експериментальна перевірка даного підходу зроблена на основі вимірювання зсуву краю оптичного поглинання в результаті електронного опромінення плівок системи Se-As-Se. Встановлено, що плівки Ge33As12Se55 знаходяться поблизу області оптимальних складів, які мають високу радіаційну стійкість.

Основні висновки

1. В результаті розрахунку потенціальних кривих взаємодії атомів Ge, As, Se з кластером, який складається із 18 атомів Si, встановлено, що у випадку бездефектного кластеру атоми Ge і As локалізуються у міжвузлях на відстані 0,17 і 0,19 нм від поверхні кластера з енергіями зв'язку 3,3 і 1,6 еВ відповідно. Атоми Se на такий кластер не осаджуються. При наявності на поверхні кластера моношару SiO2 енергія зв'язку атомів Ge з таким кластером стає рівною 1,8 еВ, а відстань локалізації 0,25 нм. Для атомів As змінюється тільки відстань локалізації (0,17 нм), а для атомів Se змінюється енергія зв'язку з кластером (1,0 еВ) і відстань локалізації (0,20 нм). З використанням даних розрахунків розроблено фізико-технологічні умови формування гетероструктури Ge33As12Se55 - p-Si.

2. Співставлення розрахункових значень енергії електронної спорідне - ності для ряду халькогенідних стекол з експериментальними даними показало можливість застосувати метод, який базується на методі лінійної комбінації атомних орбіталей і методі псевдопотенціалів для теоретичного визначення розриву зон гетеропереходів аморфний напівпровідник - кристал. На основі цієї теорії побудована діаграма енергетичних зон гетеропереходу Ge33As12Se55 - p-Si без врахування станів на межі поділу.

3. Дослідження вольт-амперних характеристик гетероструктур Ge33As12Se55 - p-Si показало, що вони мають випрямляючі властивості, які залежать від типу використовуваних контактів. При прямому зміщенні перенесення струму в гетероструктурах з інжектуючими контактами (Sb) визначається провідністю плівки, а в гетероструктурах з блокуючими контактами (In) - висотою бар'єра електрод - аморфна плівка. При зворотньо - му зміщенні струм в основному обмежується бар'єром на межі поділу кристал - аморфна плівка. Механізм переносу носіїв заряду в аморфних плівках Ge33As12Se55 з інжектуючими контактами зумовлений струмами, обмеженими об'ємним зарядом. При використанні блокуючих контактів струм через плівку визначається електродними процесами, пов'язаними з ефектом Шотткі.

4. Провідність гетероструктури Ge33As12Se55 - p-Si на змінному струмі обумовлена провідністю аморфної плівки Ge33As12Se55. В температурному діапазоні від 300 до 373 К на частоті 10 кГц має місце багатофононна надбар'єрна провідність з енергією активації 0,56 еВ, а на частоті 1 МГц має місце стрибкова провідність з енергією активації 0,17 еВ.

5. На основі дослідження вольт-фарадних характеристик гетероструктур Ge33As12Se55 - p-Si визначено число станів на межі поділу (1,31012 см-2), розрив краю валентної зони (0,85 еВ), викривлення зон в аморфній плівці (0,55 еВ) і викривлення зон в кремнії (0,4 еВ), що дозволило побудувати рівноважну діаграму енергетичних зон гетеропереходу з врахуванням станів на межі поділу.

6. Встановлено, що при осадженні плівок Ge33As12Se55 дискретним термічним випаровуванням на непідігріті підкладки p-Si із збільшенням швидкості осадження від 1,5 до 6 нм/с має місце збільшення розтягуючих напруг, а при більш високих швидкостях осадження вони зменшуються. Збільшення температури підкладки при осадженні та термовідпал гетероструктури приводить до збільшення механічних напруг. В результаті високоенергетичного електронного опромінення (6,5 МеВ) гетероструктури механічні напруги в свіжонапиленій плівці зменшуються, а в відпалених плівках - збільшуються. Виявлено пороговий характер впливу електронного опромінення на механічні напруги в плівках.

Особливості поведінки напруг в плівках, які одержані при високих швидкостях осадження і температурах підкладки, а також при термічному відпалові пов'язуються з переходом від двохмірної структури до трьохмірної. Електронне опромінення приводить до суттєвих структурних змін і не приводить до зворотнього топологічного структурного переходу.

7. При використанні термічного методу напилення плівок Ge33As12Se55 вплив швидкості осадження і температури підкладки (p-Si) на адгезійну міцність зумовлений зміною механічних напруг в плівках. Збільшення адгезійної міцності при лазерних методах напилення плівок пов'язано з випаровуванням адатомів О, С і Н на початковій стадії процесу осадження. Особливості залежності адгезійної міцності цих плівок від товщини зумовлені зміною структури перехідного шару і впливом на них механічних напруг.

8. На прикладі стекол системи Ge-As-Se показана можливість цілеспрямованого пошуку складів, стійких до високоенергетичного (6,5 еВ) електронного опромінення. Виявлена область знаходження оптимальних складів, яка розташована поблизу складу Ge17As33Se50. Показано, що електронно-індукована зміна ширини оптичної зони плівок системи Ge-As-Se мінімальна для складів із середнім координаційним числом Z близьким до 2,7. Плівки Ge33As12Se55 (Z = 2,78) порівняно з іншими складами мають високу радіаційну стійкість.

гетероструктура носій заряд механічний

Основні результати дисертації викладені у роботах

1. The formation of a transition layer in the Si - amorphous film heterostructures of Ge-As-Se system / N.I. Dovgoshey, V. P. Svitlinets, I. E. Kacher, E. Yu. Remeta, V. V. Onopko, А. B. Kondrat. // Proc. Inter. workshop on advanced technologies of multicomponent solid films and structures. - Uzhgorod, 1994. - P.76-78.

2. Н.И. Довгошей, И. . Качер, А.Б. Кондрат. Физические аспект формирования переходного слоя плёнки Ge33As12Se55 c подложкой Si // Тонкие плёнки в лектронике: Матер. VI Междун. симпозиума, - Москва-Киев-Херсон, 1995. - С.103 - 104.

3. Формирование переходного слоя плёнки Ge33As12Se55 c подложкой Si / Н.И. Довгошей, И. . Качер, А.Б. Кондрат и др. // Труд Украинского Вакуумного общества. - Харьков, 1995. - С.262-265.

4. Переходне слои и адгезионне свойства в структурах плёнка Ge33As12Se55 - монокристалл кремния / Н.И. Довгошей, В.В. Онопко, И. . Качер, А.Б. Кондрат. // Вакуумная техника и технология. - 1996. - Т.6, № 2. - С.39-43.

5. Band splitting in heterojunctions chalcogenide film - crystalline semiconductor / N. D. Savchenko, А. B. Kondrat, T. N. Shchurova, N.I. Dovgoshey. // Труд Украинского Вакуумного общества. - Харьков, 1997. - С.262-265.

6. Deposition technique and external faktors effect on Ge33As12Se55 - Si heterostructure mechanical properties / N. Savchenko, T. Shchurova, А. Kondrat, M. Trunov, V. Onopko. // Proc. of SPIE. - 1997. - V.3182. - P.308-313.

7. Radiation stable infrared optical components / N. Savchenko, T. Shchurova, А. Kondrat, N. Dovgoshey. // Proc. of SPIE. - 1997. - V.3359. - P.87-93.

8.О.Б. Кондрат. Електрофізичні властивості гетеропереходу Si-Ge33As12Se55. - Деп. у ДНТБ України 27.04.1998. - № 200-Ук98.

9. Особенности формирования псевдоморфного слоя в гетероструктурах Si-аморфная плёнка Ge-As-Se (S) / Н.И. Довгошей, В.Н. Жихарев, И. . Качер, А.Б. Кондрат // Вакуумная техника и технология. - 1998. - Т.8, № 2. - С.29-33.

10. Physical aspects of the transition layer formation in Ge0.33As0.12Se0.55 film with a Si substrate / А. Kondrat, N. Dovgoshey, I. Kacher, E. Remeta, V. Zhikharev. // 10th Inter. conf. on thin films: Abstracts book. - Madrid, 1996. - P.84.

11. Immersion transition layers based on complex chalkogenides for optoelectronic swithes / N. Dovgoshey, А. Kondrat, I. Kacher, N. Savchenko, L. Durdinets. // Internetional conference "Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics": Abstracts. - Uzhgorod, 1996. - P.26.

12. Deposition technique and external faktors effect on Ge33As12Se55 - Si heterostructure mechanical properties / А. Kondrat, N. Savchenko, M. Trunov, T. Shchurova, V. Onopko. // International conference "Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics": Abstracts. - Uzhgorod, 1996. - P.123.

13. A. B. Kondrat. The problems of the amorphous semiconductors' use for heterostructures formation. // Inter. workshop on advanced technologies of multicomponent solid film and their application in photonics. - Book of abstracts. - Uzhgorod, 1996. - P.39.

14. Radiation stable infrared optical coatings / N. Savchenko, T. Shchurova, А. Kondrat, N. Dovgoshey. // Inter. workshop on advanced technologies of multicomponent solid film and their application in photonics. - Book of abstracts. - Uzhgorod, 1996. - P.14.

15. Thin film multilayer periodic structures based on topological structural transition / N. Savchenko, M. Trunov, T. Shchurova, А. Kondrat N. Baran, I. Sharkany. // Inter. workshop on advanced technologies of multicomponent solid film and their application in photonics: Book of abstracts. - Uzhgorod, 1996. - P.71.

16. Вплив величини потоку електронів на оптичні параметри плівок Ge-As-Se / М.Д. Савченко, Т.М. Щурова, О.Б. Кондрат, М.І. Довгошей. // Фізика і технологія тонких плівок: Матеріали VI міжнарод. конф. - Івано-Франківськ, 1997. - С. 19.

17.О.Б. Кондрат, М.Д. Савченко, М.І. Довгошей. Енергетична діаграма гетерограниці Ge33As12Se55 - Si. // Фізика і технологія тонких плівок: Матеріали VI міжнарод. конф. - Івано-Франківськ, 1997. - С.43.

18. Бобонич Е.П., Фекешгазі І.В., Кондрат О.Б., Бобонич П.П. Пристрій для отримання оптичних покрить на основі багатокомпонентних сполук. (Позитивне рішення від 22.07.1998р. по заявці № 97104884 від 14.10.1997р.).

19. Charge transfer phenomenon in Ge33As12Se55 - X - Si structures with nanolayer X: Sb; Bi; In; Pb. / N. D. Savchenko, A. B. Kondrat, N.I. Dovhoshey, Yu.I. Bertsik // Inter. workshop "Physics and technology of nanostructured multicomponent materials": Abstracts. - Uzhgorod, 1998. - P.63.

20. N.I. Dovgoshey, O. B. Kondrat, R. M. Povch. Nanolayers on the border of silicon - Ge-As-Se type amorphous thin film // Inter. workshop "Physics and technology of nanostructured multicomponent materials": Abstracts. - Uzhgorod, 1998. - P.93.

21. Thermodiffusion in Si - X - Ge33As12Se55 (X: Sb, Bi) interface / N.I. Dovgoshey, O. B. Kondrat, T. Shchurova, N. Savchenko // International conference "Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics": Abstracts. - Кiev, 1998. - P.16.

22.О.Б. Кондрат, М.Д. Савченко, М.І. Довгошей. Технологія одержання та дослідження межі поділу ізотипних гетеропереходів Ge33As12Se55 - p-Si // Вопрос атомной науки и техники, сер. Вакуум, чисте материал, сверхпроводники, вп.6,7. - Харьков, 1998. - С.248-250.

23. Модернізований пристрій для одержання плівок багатокомпонентних сполук / Кондрат О.Б., Бобонич Е.П., Дурдинець Л.М., Фекешгазі І.В., Бобонич П.П., Довгошей М.І., Савченко М.Д., Кудрявцев М. Є. // Вопрос атомной науки и техники, сер. Вакуум, чисте материал, сверхпроводники, вп.6,7. - Харьков, 1998. - С. 208-210.

Анотація

Кондрат О.Б. Формування гетероструктур Ge33As12Se55 - р-Si, механічні властивості та особливості переносу носіїв заряду в них. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07. - фізика твердого тіла. - Чернівецький державний університет ім.Ю. Федьковича, Чернівці, 1998.

Дисертація присвячена дослідженню процесу формування гетероструктур Ge33As12Se55 - р-Si, одержаних при використанні різних методів напилення плівок Ge33As12Se55 на підкладки р-Si, впливу технології одержання гетероструктур на їх адгезійну міцність і механічні напруги в них, вивченню процеса переносу і накопичення носіїв заряду в гетеро - структурі. Проведено теоретичний розрахунок енергії зв'язку адсорбованих компонент пару з підкладкою р-Si. Побудована рівноважна енергетична діаграма гетеропереходу Ge33As12Se55 - р-Si, визначені основні параметри досліджуваної гетероструктури. Проведено пошук складів стекол системи Ge-As-Se, стійких до високоенергетичного електронного випромінювання.

Ключові слова: гетероструктура, технологічні фактори, перехідна область, електрофізичні параметри, адгезійна міцність, механічні напруги, енергетична діаграма, електронне випромінювання.

Аннотация

Кондрат А.Б. Формирование гетероструктур Ge33As12Se55 - р-Si, механические свойства и особенности переноса носителей заряда в них. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математичес - ких наук по специальности 01.04.07. - физика твёрдого тела. - Черновицкий государственнй университет им.Ю. Федьковича, Черновц, 1998.

Диссертация посвящена исследованию процесса формирования гетероструктур Ge33As12Se55 - р-Si, полученнх при использовании различнх методов напления плёнок Ge33As12Se55 на подложки р-Si, влияния технологии получения гетероструктур на их адгезионную прочность и механические напряжения в них, изучению процесса переноса и накопления носителей заряда в гетероструктуре. Проведён теоретический расчёт нергии связи адсорбированнх компонент пара с подложкой р-Si. Построена равновесная нерге - тическая диаграмма гетероперехода Ge33As12Se55 - р-Si, определен основне параметр исследованной гетероструктур. Проведён поиск составов стёкол систем Ge-As-Se, стойких к всоконергетическому електронному облучению.

Ключеве слова: гетероструктура, технологические фактор, переходная область, електрофизические параметр, адгезионная прочность, механические напряжения, нерге - тическая диаграмма, лектронное облучение.

Annotation

Kondrat O. B. Formation of Ge33As12Se55 - p-Si heterostructures, their mechanical features and peculiarities of charge bearers transference. - Manuscript.

Thesis for a candidate's degree by speciality 01.04.07 - solid state physics. - Chernivtsy State University named after Yu. Fedykovich, Chernivtsy, 1998.

The dissertation is devoted to the investigation of Ge33As12Se55 - p-Si heterostructures formation process, which are received using different methods of evaporation of Ge33As12Se55 films on the p-Si substrate. The influence of heterostructures receiving technology on their adhesive strength and mechanical stress has been studied. The transference process and cumulating of charge bearers in the heterostructure were investigated. Theoretical calculation of binding energy of adsorbed components of the steam with the p-Si substrate has been performed. Equilibrium energetic diagram was built Ge33As12Se55 - p-Si heterotransition, main parameters of this heterostructure were determined. A search was carried out for glass composition of Ge-As-Se system, which are stable to the high energetic electron emission.

Key words: heterostructure, technological factors, transition field, electric-physical parameters, adhesive strength, mechanical stress, energetic diagram, and electron emission.

Размещено на Allbest.ru