WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 1998, том 68, № 9 0.5;06 Температурная зависимость вольт-амперной характеристики в модели проводимости структуры металл–изолятор–металл с углеродистой активной средой © В.М. Мордвинцев, В.Л. Левин Институт микроэлектроники РАН, 150007 Ярославль, Россия (Поступило в Редакцию 13 января 1998 г.) Предложен новый механизм процессов в структурах металл–изолятор–металл с нанометровыми размерами изолятора. Анализируется зависимость теоретической вольт-амперной характеристики от температуры подложки и сравнивается с экспериментальными результатами.

Основываясь на обширном экспериментальном мате- Поскольку в механизме [2], на основе которого разриале [1] по электроформованным диодам со струк- работаны соответствующие модели, температура T фортурой металл–изолятор–металл (МИМ структурам) с мованного диэлектрика (ФД), представляющего собой углеродистыми проводящими путями, демонстрирую- композиционный материал ”проводящие частицы в дищим N-образные статические вольт-амперные характери- электрической матрице”, расположенного в изолирующем зазоре (рис. 1), играет важную роль (от нее стики, в [2] был предложен новый механизм процессов экспоненциально зависит константа скорости реакции в таких объектах, существенными элементами которого, в частности, являлись нанометровые размеры изолирую- исчезновения частиц углеродистой проводящей фазы), щего зазора структуры и ограничение тока туннелирова- то возникает впечатление, что модель должна давать сильную зависимость плотности тока j через структуру нием электронов через потенциальный барьер на катоде.

от температуры подложки T0. Однако на самом деле это На основе этого механизма в [3,4] развиты модели не так.

проводимости МИМ структур с углеродистой активной На рис. 1 приведены рассчитанные по модели [4] вольтсредой, в которых область с отрицательным диффеамперные характеристики МИМ структуры с углероренциальным сопротивлением возникает из-за наличия дистой активной средой при двух далеко отстоящих друг внутренних обратных связей в системе и механизмов от друга температурах T0. В отличие от модельных данмодуляции прозрачности барьера на катоде. Показано, ных [4] расчет выполнен для набора параметров, дающих что эти процессы сопровождаются самоформированием характеристики, более близкие к наблюдающимся экспенаноструктуры в углеродистой среде, а электроформовриментально. В частности, это относится к положению ку можно рассматривать как процесс самоорганизации максимума вольт-амперной характеристики и значениям изолирующего нанозазора в углеродистой проводящей плотности тока, которые по уточненной оценке должны среде [5] в условиях сильного локального электричеиметь в максимуме порядок 106 A/cm2. Последнее позвоского поля. В данной работе анализируется зависимость ляет взять более разумную по физическим соображениям теоретической вольт-амперной характеристики от темвеличину константы C = 10-9 cm3/deg · W в уравнении пературы подложки, предсказываемая этой моделью, и баланса тепловых потоков, используемого в модели, расчет сравнивается с известными экспериментальными результатами.

T - T0 = CEfd j, (1) Как следует из экспериментальных данных по исследованию электроформованных МИМ структур [1], где Efd — напряженность поля в формованном диэлекток в них во включенном (низкоомном) состоянии с трике.

N-образной вольт-амперной характеристикой в первом Из-за плохого теплового контакта ФД с поверхностью приближении не зависит от температуры подложки. Этот подложки и относительно высокой теплопроводности факт явился одним из аргументов в пользу туннельного последней считается, что все другие элементы МИМ механизма проводимости, заложенного в модели [3,4].

структуры, кроме ФД, имеют температуру T0. Значения Другими такими аргументами были нанометровая шири- остальных параметров модели составили = 3.5eV, на образующегося изолирующего зазора в углеродистой a = 3.5eV (высоты потенциальных барьеров, смысл копроводящей среде, измеренная с помощью сканирую- торых ясен из вставки на рис. 1); Q = 3eV, f =1013 s-щего туннельного микроскопа [2,6], и соответственно (энергия активации и предэкспоненциальный множивысокие напряженности поля в изолирующем зазоре тель в выражении для константы скорости реакции при реально используемых напряжениях (от единицы исчезновения частиц проводящей углеродистой фазы);

до 10 V), что позволило говорить о такой структуре, как = 10-22 cm2 (эффективное сечение образования чао нано-МИМ диоде [3]. стиц углеродистой проводящей фазы из органических 140 В.М. Мордвинцев, В.Л. Левин личению ширины потенциального барьера на катоде с ростом U.

Характер зависимости плотности тока j от температуры подложки T0 ясен из уравнения (1). Учитывая, что Efd и T меняются несильно из-за того, что в структуре действуют обратные связи, уравновешивающие изменения T и j, а также T стоит под экспонентой в выражении для концентрации частиц углеродистой проводящей фазы, можно ожидать почти линейного уменьшения j с ростом температуры T0. Причем, как легко получить из (1), при изменении T0 от температуры жидкого азота до комнатной (именно в этом диапазоне имеются экспериментальные данные) с учетом того, что T 1500 K, уменьшение тока составит около 15%. Результаты точного расчета для максимума вольт-амперной характеристики (U = ) и приведенных выше параметров модели показаны на рис. 2 (кривая 1). Они полностью подтверждают полученную выше грубую оценку.

Экспериментальные данные [7] для напряжений U на электроформованной МИМ структуре вблизи максимума вольт-амперной характеристики и выше не выявили температурной зависимости при сравнении кривых для температуры жидкого азота и комнатной. ОднаРис. 1. Рассчитанные зависимости плотности тока j и шико если учесть принципиально невысокую воспроизворины h изолирующего зазора от напряжения U на МИМ димоть значений тока в этом диапазоне напряжений структуре при температуре подложки T0: 1 — 300, 2 — 800 K.

даже при постоянной T0, обычно характеризующуюся На вставке приведена упрощенная потенциальная диаграмма МИМ структуры: M1 —катод, 1 —ФД, 2 —УПС, M2 —анод. 10-15%-ным разбросом, в таком узком интервале температур наблюдать предсказываемую моделью зависимость вряд ли возможно. Надежный ответ может быть получен молекул при электронном ударе); = 0.6, k = 0.(максимально возможная концентрация (объемная доля) частиц углеродистой проводящей фазы и порог протекания в формованном диэлектрике); b = 0.1nm (константа, характеризующая расхождение потока электронов);

l = 3nm (толщина ФД, перпендикулярно направлению анод–катод); w = 0.2 (константа, определяющая эффективное значение параметра C в (1) при малой ширине области ФД).

При анализе температурной зависимости следует принципиально различать состояния структуры, соответствующие участкам вольт-амперной характеристики до и после максимума (U = ). Рассмотрим сначала случай U >. В этих условиях температура T формованного диэлектрика достигает 1500 K, а в МИМ структуре действуют обратные связи, которые, в частности, приводят к подвижности эффективного анода (вставка рис. 1), роль которого играет углеродистая проводящая среда (УПС). Последняя представляет собой связный проводящий кластер частиц углеродистой проводящей Рис. 2. Рассчитанные зависимости от температуры T0 подложфазы (их концентрация экспоненциально падает с роки отношений плотностей тока: 1 — j(T0)/ j(0), рассчитанный стом температуры T ), образующийся при достижении по модели [4] при U = без учета соотношения (2); 2 — порога протекания в части области, первоначально зааналогично 1, но с учетом (2), = 8 · 10-4 eV · K; 3 — нимаемой формованным диэлектриком. Поэтому ширина jb(T0)/ jb(0) в соответствии с (2) при расчете по модели [4], изолирующего зазора h является переменной и растет с т. е. с переменной величиной ; U =, параметры моденапряжением на МИМ структуре (рис. 1). Падающая ли аналогичны 2; 4 — jb(T0)/ jb(0) в соответствии с (2), ветвь вольт-амперной характеристики соответствует уве- = 8 · 10-4 eV · K, U =, = 0.84 nm.

Журнал технической физики, 1998, том 68, № Температурная зависимость вольт-амперной характеристики в модели проводимости структуры... только при увеличении температур подложки в сторону суммарном увеличении тока на 10% с ростом темперазначительно больших комнатной, что позволяет ожидать туры от 90 до 300 K. Такой результат является дополни уменьшения тока приблизительно в два раза при изме- тельным косвенным подтверждением правильности идей, нении T0 от 100 до 800 K (рис. 2). заложенных в модель [4].

Еще одним фактором, который может оказывать влиАвторы выражают благодарность С.А. Кривелевичу за яние на функцию j(T0), является известная зависимость обсуждение, инициировавшее данную работу.

плотности туннельного тока jb через потенциальный барьер постоянной ширины и высоты от температуры [8], Список литературы связанная с размыванием распределения электронов по энергиям в катоде вблизи уровня Ферми металла, кото[1] Pagnia H., Sotnik N. // Phys. Stat. Sol. (a). 1988. Vol. 108.

рая не учитывалась в модели, N 11. P. 11–65.

[2] Мордвинцев В.М., Левин В.Л. // ЖТФ. 1994. Т. 64. Вып. 12.

jb(T0) CkT0 B-0.5T = = =. (2) С. 88–100.

jb(0) sin(CkT0) sin(B-0.5T0) [3] Мордвинцев В.М., Левин В.Л. // ЖТФ. 1996. Т. 66. Вып. 7.

С. 83–95.

Последнее равенство верно для U, т. е. барьера [4] Мордвинцев В.М., Левин В.Л. // ЖТФ. В печати.

треугольной формы. В этом случае C = B/(2)0.5, [5] Валиев К.А., Левин В.Л., Мордвинцев В.М. // ЖТФ. 1997.

где B — константа под экспонентой в выражении Впечати.

для туннельного тока, k — постоянная Больцмана, [6] Pagnia H., Sotnik N., Wirth W. // Int. J. Electron. 1990. Vol. 69.

= 1.92 · 10-4 eV · K. В [9] показано, что характерная N 1. P. 25–32.

форма зависимости величины от напряжения U на [7] Simmons J.G., Verderber R.R. // Proc. Roy. Soc. A. 1967.

Vol. 301. P. 77–102.

структуре, имеющая максимум при U =, хорошо [8] Модинос А. Авто-, термо- и вторично-электронная эмиссиподтверждается экспериментально, однако абсолютные онная спектроскопия. М.: Наука, 1990. 319 с.

значения при этом значительно превышают теоретиче[9] Симмонс Дж.Г. Технология тонких пленок / Под ред.

ские, составляющие максимум десятки процентов. Для Л. Майссела, Р. Глэнга. Т. 2. М.: Сов. радио, 1977. 764 с.

того чтобы учесть этот экспериментальный факт, в расчете по модели [4] выражение (2) формально бралось со значением = 8 · 10-4 eV · K. Это дало широкий диапазон изменения значений (кривая 3 на рис. 2), однако даже такое искусственное усиление зависимости (T0), как видно, почти не изменило температурную зависимость j(T0) (кривая 2 на рис. 2). Этот результат представляется естественным в силу отмеченных выше причин, вызывающих малость изменений Efd и T, и связан также с переменностью величин h и в модели.

В случае U < УПС заполняет всю область ФД, а внутри потенциального барьера процесс диссоциации углеродсодержащих молекул при электронном ударе и, следовательно, образование частиц углеродистой проводящей фазы невозможны. Поэтому мы имеем потенциальный барьер постоянной ширины = h = h0, которая фиксируется при значении U = (рис. 1). Такой объект имеет обычную туннельную вольт-амперную характеристику (растущая ветвь на рис. 1), температурная зависимость которой дается выражением (2). На рис. приведена соответствующая кривая 4 для постоянного значения = 0.84 nm, которое получено при уменьшении напряжения до U = и постоянной температуре T0 = 300 K, рассчитанная при том же значении U =.

Важно отметить, что для малых значений U воспроизводимость измерений тока в электроформованных МИМ структурах значительно выше, чем при U.

Это позволило с высокой точностью получить экспериментальную температурную зависимость тока [7] для U = 1.5 V, очень хорошо соответствующую (2), при Журнал технической физики, 1998, том 68, №




© 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.