Электрические свойства нанокомпозитов металл-диэлектрик и поликристаллических полупроводников с инверсно-легированными границами зерен

Актуальность темы

.

Одним из важных направлений современной физики твердого тела является исследование свойств новых материалов с неоднородной структурой. Значительное внимание уделяется исследованию электрических свойств различных гранулированных неупорядоченных сред, таких как нанокомиозиты металл-диэлектрик и поликристаллические полупроводники с инверсно-легированными границами зёрен. Эти гранулированные материалы представляют собой систему твердотельных проводящих кластеров, гранул или зёрен, разделенных зазорами, заполненными другим материалом или расположенных вплотную друг к другу. При этом размеры, форма частиц, их взаимное расположение носит, как правило, случайный характер. В таких системах возникают новые физические эффекты, принципиально связанные со статистическим разбросом указанных параметров. В то время, как структурные параметры гранулированной среды существенным образом определяют её электрические свойства, имеются значительные трудности в определении параметров микроструктуры этих материалов имеющимися методами диагностики. Поэтому разработка новых методов анализа и моделирования структуры является важной задачей.

Фундаментальная проблема, возникающая при анализе электрических свойств гранулированных сред связана с их нерегулярной природой. Несмотря на то, что во многих случаях элементарный процесс переноса заряда между двумя проводящими гранулами с фиксированными параметрами достаточно хорошо изучен, переход к макроскопическим электрическим свойствам материала в целом, представляющего собой статистический ансамбль гранул, является нетривиальной задачей.

В нанокомпозитах металл-диэлектрик — системах металлических кластеров манометрового размера, разделенных диэлектрическими барьерами, микроскопический механизм прыжкового транспорта связан с эффектом «кулоновской блокады», т. е. наличием энергетического барьера, препятствующего туннелированию электронов. При этом зарядовая энергия существенным образом зависит как от размеров гранул, так и от их взаимного расположения. Определение средней зарядовой энергии и её разброса в плотной системе металлических гранул, является актуальной задачей. Важным как с теоретической, так и прикладной точек зрения является анализ протекания макроскопического тока в металл-диэлектрическом нанокомпозите, зависимости электрической проводимости от структурных параметров материала, геометрии образца, температуры и приложенного внешнего электрического поля, в частности возможности её эффективной модуляции поперечным электрическим полем.

Как и для нанокомпозитов, для поликристаллических полупроводников с инверсно-легированными межзёренными границами в настоящее время разработаны аналитические и численные модели зарядового транспорта меж—у двумя отдельными гранулами — через потенциальный двойной барьер Шоттки, возникающий на стыке зёрен, в то же время вопрос о переходе от свойств одной межзе-ренной границы к свойствам образца, содержащего большое количество зёрен в настоящее время изучен плохо. В частности, актуальной задачей является анализ электрических свойств материалов, средний размер зёрен в которых сравним с шириной потенциального барьера на границе. В этом случае рассмотрение процесса электронного транспорта на основе модели одиночного барьера Шоттки вообще неприменимо, и для адекватного описания электрических свойств таких систем требуется разработка новых подходов с применением методов численного моделирования.

Гранулированные неупорядоченные материалы могут обладать электрическими свойствами, важными с точки зрения приборных применений в микрои нано-электронике. Важным достоинством неупорядоченных гранулированных материалов является то, что технологический процесс их получения относительно дешев и легко масштабируется, что определяет возможность широкого использования их в различных прикладных областях. С прикладной точки зрения актуальной задачей является изучение возможности создания на основе таких структур новых приборов с улучшенными характеристиками. В частности, представляет интерес создание на основе нанокомпозита металл-диэлектрик полевых транзисторов, использование поликристаллических керамических полупроводников в перспективных устройствах оперативной памяти, активных матрицах жидкокристаллических дисплеев, создание па их основе интегральных схем пассивных элементов и др.

Целью данной работы являлись

• Разработка методов анализа структурных параметров нанокомпозитов металл-диэлектрик с высокой плотностью металлических наночастиц, включая определение среднего размера частиц, дисперсии размеров, параметров распределения частиц в объеме. Построение адекватной численной модели структуры поликристаллических полупроводников на основе представлений о механизме формирования зёрен.

• Изучение зависимости макроскопического электрического тока в наноком-позитах металл-диэлектрик от параметров микроструктуры материала, геометрии образца, температуры и приложенного внешнего электрического поля. Изучение возможности модуляции электрической проводимости нано-комиозита поперечным электрическим полем. Для этого разработана новая численная модель электронного прыжкового транспорта в нанокомпозигах на основе подхода молекулярной динамики, т. е. путём моделирования прыжков электронов в системе металлических гранул, разделенных туинельно-прозрачными зазорами.

• Исследование электрических свойств поликристаллических полупроводников с инверсно-легированными границами зёрен, зависимости проводимости и емкости от геометрических параметров поликристаллической структуры материала и размера зёрен. При этом подход на основе решения уравнений диффузионно-дрейфового переноса заряда в полупроводниках впервые применяется совместно с моделью поликристаллической структуры на основе сетки Вороного. Такая модель позволяет проанализировать влияние геометрических параметров поликристаллической структуры на её электрические свойства, в частности впервые количественно описать переход от случая больших зёрен к случаю малых зёрен, когда средний размер зерна становится сравним с шириной потенциального барьера на межзёренпой границе.

• В задачу работы входило изучение возможности использования исследованных структур для создания новых типов электронных приборов: полевых транзисторов на основе нанокомпозитов металл-диэлектрик, варисторов и миниатюрных устройств оперативной памяти на основе поликристаллических керамических полупроводников.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана новая численная модель, описывающая когерентное рассеяние излучения в системе металлических частиц с учетом интерференционных эффектов. Данная модель хорошо описывает экспериментальные спектры малоуглового рентгеновского рассеяния в ианокомпозитах с содержанием металла выше 10 об. %

2. Впервые проведен расчет энергии кулоновского взаимодействия в плотной системе металлических гранул с учетом их взаимной поляризации. Установлена зависимость средней величины и дисперсии зарядовой энергии от объемной концентрации металлической фазы.

3. С помощью численного моделирования прыжкового транспорта методом Монте-Карло обнаружена возможность эффективной модуляции проводимости тонких пленок панокомпозитов металл-диэлектрик внешним электрическим полем (эффект поля). Исследованы зависимости глубины модуляции проводимости от параметров папокомпозитной плёнки и найдены условия, при которых такая модуляции может быть эффективной.

4. Предложена новая модель для анализа электрических свойств поликристаллических полупроводниковых материалов с инверсно-легированными границами зёрен, в которой структура поликристаллического полупроводника представлена в виде случайной трёхмерной сетки Вороного и транспорт носителей на каждой межхёренной границе описывается в рамках одномерной диффузионно-дрейфовой модели. С помощью этой модели установлены зависимости параметров вольт-амперных и вольт-фарадных характеристик полупроводниковой поликристаллической структуры от легирования межзе-ренных границ, характера расположения зёрен.

5. Разработана двумерная диффузионно-дрейфовая модель зарядового транспорта в полупроводниковых поликристаллических материалах с субмикронными размерами зерен. С помощью данной модели впервые получена зависимость вольт-амперной характеристики и удельной емкости поликристаллического материала от среднего размера зёрен и количественно рассчитан эффект подавления электрической-емкости при уменьшении среднего размера зёрен.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Разработана методика, позволяющая с высокой точностью определять параметры структуры металл-диэлектрических нанокомпозитов (средний размер, дисперсию, степень упорядочения структуры) в широком диапазоне объемных концентраций частиц на основе анализа экспериментальных спектров малоуглового рентгеновского рассеяния.

2. Показано, что на основе тонких пленок нанокомпозитов могут быть созданы новые быстродействующие полевые транзисторы, в которых высокая эффективность модуляции тока достигается за счёт эффекта ноля при температурах вплоть до 300 К.

3. Разработаны численные модели для расчета электрических характеристик поликристаллических полупроводников с инверсно-легированными границами зёрен. Эти модели могут примененяться для расчета и оптимизации электрических свойств микроэлектронных устройств на основе поликристаллических материалов, а также для расчета интегральных схем пассивных элементов (резистор-варистор-емкость), устройствах оперативной памяти на основе поликристаллических керамических материалов.

На защиту выносятся следующие основные научные положения:

• В нанокомпозитах металл-диэлектрик, содержащих зародыши металлической фазы, распределение металлических частиц по размерам описывается

— нормальным законом. В нанокомпозитах Си: 5г02, полученных методом магнетронного сораспыления, в диапазоне концентраций металлической фазы 10−30%, средний радиус частиц составляет 1.5 ± 0.1 нм, а логарифмическая дисперсия 0.2 ± 0.025.

В нанокомпозитах металл-диэлектрик имеется сильная зависимость величины зарядовой энергии металлических частиц от концентрации металлической фазы. При увеличении объемной концентрации металлической фазы от 5% до 20% средняя величина зарядовой энергии частиц уменьшается в 1.5 раза.

Электрическая проводимость тонких пленок нанокомпозитов металл-диэлектрик увеличивается при приложении поперечного электрического ноля (эффект поля). В пленках, состоящих из одного слоя металлических нано-частиц диаметром 1.5 нм, глубина модуляции проводимости при комнатной температуре составляет более 3-х порядков при условии малой величины случайного потенциала в структуре.

В поликристаллическом полупроводнике с инверсно-легированными границами зерен электрические характеристики, такие как порог проводимости по напряжению, электрическая емкость и частотная зависимость проводимости, меняются в широких пределах при малом изменении концентрации легирующей примеси на границе, а также зависят от степени упорядоченности поликристаллической структуры.

В поликристаллическом полупроводнике уменьшение размеров зёрен приводит к росту порогового напряжения и уменьшению электрической емкости. Эффект становится значительным для материалов со средними размерами зёрен менее 5с1 (ё-ширина обедненного слоя с одной стороны от границы).

Этот эффект адекватно описывается двумерной диффузионно-дрейфовой моделью.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на 4-й и 7-й международных конференциях «Nanostructure: Physics and Technology», С.-Петербург, 1998,2001 гг., на международной конференции «International Conference on Physics of Semiconductors», Эдинбург, 2002 г, на Зимней Школе по физике полупроводников 2001,2003 гг., а также на научных семинарах лаборатории полупроводниковой квантовой электроники ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН.

Исследования в данном направлении были поддержаны Российским Фондом Фундаментальных Исследований (грант РФФИ N98−02−18 210), Программой «Физика Твердотельных Наноструктур» МН РФ (гранты 97−2014 и 97−1035), а также персональными грантами Конкурсного Центра Фундаментального Естествознания г. С.-Петербурга.

Публикации. По результатам исследований, выполненных в диссертационной работе, опубликовано 13 научных работ, из них G-в реферируемых изданиях. Список работ приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, двух глав, заключения и списка цитированной литературы. Общий объем диссертации составляет 109 страниц, в том числе 74 страницы основного текста, 24 рисунков на 24 страницах и 2 таблицы. Список цитированной литературы включает в себя 52 наименования и занимает 7 страниц.

Основные результаты диссертационной работы сводятся к следующему:

• Разработана численная модель структуры нанокомпозита и методика определения параметров распределения наногранул по размерам на основе прямого численного моделировании интенсивности малоуглового рентгеновского рассеяния. Установлено, что в металл-диэлектрических нанокомпозитах Си: ЗЮ2, полученных методом магнетронного сораспыления имеется нормальное распределение гранул по размерам, средний радиус составляет 1.5±1 пш, а логарифмическая дисперсия 0.2±0.025.

• Создана численная модель электрической проводимости в нанокомпозитном материале, основанная на расчете вероятностей туннелирования электронов и моделировании электронных прыжков методом Мопте-Карло. Модель учитывает наличие в структуре случайного потенциала, дисперсию размеров гранул, корреляцию в их расположении, а также отличие кулоновского взаимодействия гранул от взаимодействия точечных зарядов. С помощью разработанной модели проведен расчет полевого эффекта в тонких пленках нанокомпозита, установлен критерий эффективности модуляции продольной проводимости пленки поперечным электрическим полем.

• Разработана новая двумерная диффузионно-дрейфовая модель электронного переноса в поликристаллических керамических полупроводниках. Поликристаллический полупроводник представлен как система двойных барьеров Шоттки, возникающих на границах монокристаллических зёрен.

• Впервые проведен расчет вольт-амперной характеристики и электрической емкости поликристаллического керамического образца, в том числе содержащего монокристаллические зёрна субмикронных размеров. Показано, что при отношении ширины обедненной области к размеру зерна? = 0.4 резко изменяется характер зависимости ВАХ и удельной емкости от числа межзе-ренных границ и происходит рост порогового напряжении.

• С помощью созданной двумерной модели теоретически установлены оптимальный размер зёрен и оптимальный уровень легирования межзеренных границ, необходимые для достижения максимальной электрической емкости образца.

Основные содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. S.A.Gurevich, V.M.Kuznetsov, V.M.Kozhevin, D.A.Yavsin, D.A.Zakheim, V.V.Khorenko, I.V.Rozhansky, «Fabrication and electrical properties of the monolayer of oxidized nanometer-size met allie granules», Proc. of Int. Syrnp. «Nanostructures: Physics and Technology», St.-Petersburg, p.344 (1998)

2. Д. А. Закгейм, И. В. Рожанский, С. А. Гуревич, «Электростатическая энергия неупорядоченной системы металлических гранул», Письма в ЖЭТФ, 70, стр. 100 (1999)

3. Д. А. Закгейм, И. В. Рожанский, И. П. Смирнова, С. А. Гуревич, «Температурная зависимость проводимости композитных пленок Си: SiO2 — эксперимент и численное моделирование», ЖЭТФ, 91, 553 (2000)

4. Д. А. Закгейм, И. В. Рожанский, «Моделирование электрической проводимости гранулированных металлов — мезоскопический и макроскопические режимы», Тезисы докладов итогового семинара по физике и астрономии по результатам конкурса грантов для молодых ученых С.-Петербурга, стр. 13 (1999). •

5. И. В. Рожанский, Д. А. Закгейм, Т. Н. Василевская, С. А. Гуревич, «Анализ структуры композитных металл-диэлектрических материалов методом малоуглового рентгеновского рассеяния», ФТТ, 43 (2001).

6. D.A. Zakheim, I.V. Rozhansky, S.A. Gurevich Monte-Carlo simulation of electron transport and field effect in granular metal nanostructures, Microelectronic Engineering, G9 (2003), G46−652

Автор выражает благодарность Сергею Александровичу Гуревичу за руководство и внимание уделяемое работе, Дмитрию Александровичу Закгейму за непосредственное участие в исследованиях, обсуждение результатов, Никите Сергеевичу Аверкиеву за обсуждение результатов, представленных в диссертационной работе, С. П. Воскобойникову за ценные консультации по вопросам численного моделирования, а также моим коллегам — сотрудникам лаборатории полупроводниковой квантовой электроники.

Заключение