WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 7 Эффект переключения в гетеропереходах Si–CdS, синтезированных в резко неравновесных условиях ¶ © А.П. Беляев, В.П. Рубец Санкт-Петербургский государственый технологический институт, 198013 Санкт-Петербург, Россия (Получена 5 декабря 2001 г. Принята к печати 19 декабря 2001 г.) Сообщается о результатах исследования электрических свойств и процессов формирования гетеропереходов на охлажденной до отрицательных температур подложке из кристаллического кремния. Приводятся данные технологических, электронографических и электрических исследований. Выявлен эффект переключения проводимости в гетеропереходах на основе двухфазных пленок сульфида кадмия и определены режимы формирования аморфных и аморфных с кристаллическими включениями пленок CdS. Показано соответствие результатов солитонной модели.

1. Введение характеристики измерялись с помощью электрометра У5-9; вольт-фарадные — с помощью измерителя импеданса ВМ-507.

Развитие электроники стимулирует исследователей к поиску новых перспективных материалов, к изучению возможностей получения материалов и систем элек3. Результаты эксперимента троники в нетривиальных условиях. К числу перспективных нетривиальных условий относятся, в частности, Исследовались процессы формирования пленок сульрезко неравновесные условия. Изучение механизмов фида кадмия на подложке из кристаллического кремформирования пленочных систем в резко неравновесных ния в резко неравновесных условиях и электрические характеристики образующихся между Si и CdS гетеусловиях только в течение последних нескольких лет ропереходов (ГП). Изучение процессов формирования позволило выявить такие процессы, как солитонная эпитаксия [1–4], проводимость, стимулированная осцил- строилось на основе технологических экспериментов и электронографических исследований. Электрические ляциями температуры [5]. Настоящая работа сообщает характеристики исследовались на основе измерений о новых экспериментальных данных, связаных с провольт-амперных и вольт-фарадных характеристик.

цессами формирования структуры и свойств пленок в В результате было установлено, что на подложке, резко неравновесных условиях — в частности, о возохлажденной до температуры Tr 215 и 150 K растут можности получения в резко неравновесных условиях эпитаксиальные кристаллические пленки CdS (рис. 1, a).

такой перспективной для электроники структуры, как При Tr < 100 K пленки получались аморфными биустойчивая система.

(рис. 1, b). В области температур 100 < Tr < 150 K структура пленок была двухфазной: наряду с аморфной фазой они содержали кристаллические включения 2. Исследованные образцы (рис. 1, c).

Прямые ветви вольт-амперных характеристик I(U) и методика эксперимента всех разновидностей ГП (с ориентированной, аморфной и двухфазной пленками) были экспоненциальными. Вид Исследовались образцы, синтезированные методом обратных ветвей характеристик зависел от структуквазизамкнутого объема на подложке из кремния, ры пленки CdS (рис. 2). Вольт-амперная характеристиохлаждаемой жидким азотом [1,2]. Толщина пленок ка (ВАХ) ГП с эпитаксиальной пленкой имела вид, для разных образцов составляла величину 0.8–1.2 мкм.

характерный для выпрямляющего контакта (кривая 1);

В качестве подложек использовались пластины кремобратная ветвь ВАХ ГП с аморфной пленкой почти не ния КДБ-10 толщиной 0.3 мм с ориентацией поверхноотличалась от прямой ветви (кривая 2); обратная ветвь сти (100).

ВАХ ГП с двухфазной пленкой отличалась наличием Толщина пленок измерялась с помощью микроиндвух устойчивых состояний, различавшихся по провотерферометра МИИ-4. Электронографические исследодимости на несколько порядков (кривая 3). До момента вания проводились на электронографе ЭМР-100. Для переключения проводимости ВАХ ГП с двухфазной и электрических измерений вакуумным напылением на обэпитаксиальной пленками были качественно подобны.

разцы наносились золотые контакты размером 4 4мм2.

Напряжение переключения зависело от толщины пленки Все электрические измерения проводились в вакууме сульфида кадмия. Переключение происходило при напри остаточном давлении 10-3 Па. Вольт-амперные пряженности электрического поля E 105 B/см. Начало переключения проводимости сопровождалось токовыми ¶ E-mail: Belyaev@tu.spb.ru неустойчивостями в виде осцилляций.

844 А.П. Беляев, В.П. Рубец Зависимость емкости от приложенного напряжения для ГП с эпитаксиальной и двухфазной пленками имела вид, характерный для случая резкого распределения примесей.

4. Обсуждение результатов При синтезе пленок из паровой фазы в резко неравновесных условиях пленка растет главным образом из дисперсных частиц (ДЧ), сформировавшихся в паровой фазе в результате флуктуаций первого рода [1,2,6].

Время рассеяния избыточной энергии ДЧ при их конденсации на подложку конечно. Оно определяется размером ДЧ [1,2,7] r2/, (1) где — характерное время рассеяния избыточной энергии, — температуропроводность, r —радиус ДЧ, и температурой подложки (точнее разностью температур ДЧ и подложки).

Поэтому сразу после конденсации температура ДЧ будет определяться ее размером. В зависимости от температуры ДЧ она окажется либо докритической, либо закритической [4]. ДЧ докритического размера реиспарятся, а ДЧ закритического размера стремятся принять коррелированное с подложкой (энергетически оптимальное) положение. Наиболее реальным механизмом ориентации ДЧ на охлажденной подложке является солитонный механизм [1–3,6]. Солитонный механизм представляет собой перемещения ДЧ за счет движения дислокаций несоответствия между ДЧ и подложкой, причем движения своеобразного — в виде частицеподобных волн (солитонов). При таком способе движения происходит последовательное перемещение атомов в плоскости ДЧ–подложка. В каждый момент времени почти все атомы ДЧ остаются неподвижными относительно подложки, а двигается только очень небольшая группа атомов. Атомы перед фронтом волны не двигаются, потому что до них волна еще не дошла, атомы за фронтом не двигаются, потому что через них волна уже распространилась. В перемещении участвуют только атомы, составляющие в данный момент фронт волны. При прохождении такой волны (одного солитона) ДЧ сдвигается на одну постоянную решетки. При низких температурах, когда коэффициент диффузии атомов оцень мал, бездиффузионный, солитонный механизм Рис. 1. Электронограммы эпитаксиальных (a), аморфных (b) становится предпочтительнее по сравнению с другими и двухфазных (c) пленок сульфида кадмия, выращенных в механизмами массопереноса в силу способности солирезко неравновесных условиях на кристаллической подложке тонов распространяться с малыми потерями энергии. из кремния.

Для возникновения солитонов, как показано в [1,2], требуется определенное соотношение между параметрами решеток ДЧ b(Tf ) и подложки a(Tr) температуры ДЧ Tf. Здесь f и — параметры, характеризующие силы взаимодействия между атомами a(Tr) - b(Tf ) > (2/)3/2 ( f /)a(Tr), (2) ДЧ и подложки и силы взаимодействия между атомами b(Tf ) подложки соответственно.

которое при близости b(Tf ) и a(Tr) может быть до- Разная температура ДЧ при одной и той же темстигнуто варьированием температуры подложки Tr или пературе подложки, приводит к разным условиям для Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. Эффект переключения в гетеропереходах Si–CdS, синтезированных в резко неравновесных... фазу. При более высоких температурах росли эпитаксиальные пленки, а при более низких — аморфные (рис. 1).

Электрические свойства ГП непротиворечиво объясняются в рамках рассмотренной выше модели. Действительно, при формировании аморфных пленок граница раздела между пленкой и подложкой содержит множество дефектов. В результате свойства образующегося ГП будут определяться главным образом этими поверхностными состояниями [8]. Ожидаемая в этом случае ВАХ должна быть близка к симметричной, что и наблюдалось нами в эксперименте. При формировании на подложке совершенных слоев влияние границы не столь существенно. Здесь свойства ГП определяются характеристиками контактирующих материалов. ВАХ ГП Si–CdS согласно теории должна быть асимметрична, что опять-таки наблюдалось нами в ГП с эпитаксиальными пленками, выращенными в резко неравновесных условиях.

Механизм формирования ВАХ ГП с двухфазной пленРис. 2. Обратные ветви вольт-амперных характеристик ге- кой еще требует детальных исследований. Исходя из теропереходов Si–CdS, сформированных на основе эпитакси- полученных нами результатов можно высказать лишь альной (1), аморфной (2) и двухфазной (3) пленок сульфида некоторые предположения.

кадмия.

Первое касается области ВАХ до точки переключения проводимости. Здесь ВАХ ГП с двухфазной и эпитаксиальной пленками качественно подобны. Следовательно, упорядочения закритических ДЧ разного размера. В ре- можно полагать, что в этой области напряжений ВАХ формируется контактом кремневой подложки с кристалзультате ДЧ одного размера оказываются на подложке расположенными коррелированно, другого — некорре- лическими включениями двухфазной пленки.

лированно. Второе предположение касается механизма переклюФункция распределения ДЧ в пространстве разме- чения. Учитывая наличие токовых неустойчивостей и величину электрического поля в момент переключения ров при формировании пленок в резко неравновесных условиях близка к -образной [1,2]. Это обусловлено, с (E 105 В/см), можно предположить, что переключение одной стороны, указанным выше реиспарением докрити- связано с лавинным пробоем ГП подложки с кристалческих ДЧ, а с другой — флуктуационным механизмом лической фазой. В этих условиях второе устойчивое их возникновения (вероятность флуктуации падает с по проводимости состояние, очевидно, будет связано увеличением ее размера). Характер распределения в с наличием аморфной фазы, выполняющей функции виде -функции приводит к тому, что только в ограни- балластного сопротивления, не позволяющего лавине ченном температурном диапазоне пленки формируются развиться до уровня, приводящего к необратимым изкристаллически совершенными. За пределами этого диа- менениям в ГП.

пазона условия возникновения для солитонов не выполняются и вследствие этого возникает неупорядоченная 5. Заключение структура формирующихся пленок.

Однако реальная функция распределения имеет „хвоНа основе представленных результатов можно сделать сты“. Поэтому ДЧ, размер которых попадает в „хвосты“, следующие выводы.

могут коррелированно ориентироваться на подложке за пределами температурного диапазона, соответствующе- 1) Резко неравновесные условия синтеза, в зависимости от конкретных режимов, позволяют сформироваться го формированию совершенных пленок. Отсюда можно на кристаллической подложке как однофазным аморфожидать, что на границе температурного диапазона ным пленкам, так и двухфазным пленкам, содержащим совершенного роста может формироваться смешанная наряду с аморфной фазой кристаллические включения.

структура, в которой наряду с неурпорядоченной фазой будет присутствовать кристаллически совершенная фаза. 2) Гетеропереход между кристаллической подложкой Описанные выше представления полностью коррели- из кремния и двухфазной пленкой сульфида кадмия, выруют с результатами обсуждаемого эксперимета. Только ращенной в резко неравновесных условиях, при обратв ограниченном температурном диапазоне формирова- ном включении содержит два состояния, отличающиеся лись аморфные пленки, содержащие кристаллическую по проводимости на несколько порядков.

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 846 А.П. Беляев, В.П. Рубец Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 02-03-32405).

Список литературы [1] А.П. Беляев, В.П. Рубец, И.П. Калинкин. ФТТ, 39 (2), (1997).

[2] А.П. Беляев, В.П. Рубец, И.П. Калинкин. Неорг. матер., (3), 281 (1998).

[3] А.П. Беляев, В.П. Рубец. ФТП, 35 (3), 294 (2001).

[4] С.А. Кукушкин, А.В. Осипов. УФН, 168 (10), 1083 (1998).

[5] А.П. Беляев, В.П. Рубец, И.П. Калинкин. ФТП, 31 (8), (1997).

[6] А.П. Беляев, В.П. Рубец, И.П. Калинкин. ЖТФ, 71 (4), (2001).

[7] Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. Теоретическая физика. Теория упругости (М., Наука, 1987).

[8] А. Милнс, Д. Фойхт. Гетеропереходы и переходы металл–полупроводник (М., Мир, 1975).

Редактор Л.В. Шаронова The effect of switching in heterojunction of Si–CdS, synthesized in sharply non-equilibrium conditions A.P. Belyaev, V.P. Rubets Saint Petersburg State Technological Institute (Technical University), 198013 St. Petersburg, Russia

Abstract

This paper reports the results of a study of electrical properties and processes of formation of heterojunctions on the cooled-up-to-negative-temperature substrate of crystalline silicon. Data on technological, and electrical investigation are presented. The authors have found the effect of switching conductivity in heterojunction on the basis of two-phases cadmium sulfide films and conditions of formation of both amorphous and crystalline containing CdS films. Results obtained agree well with the soliton model.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.