Ηλεκτρικές ιδιότητες νανοδομημένων μεταλλικών νιτριδίων
Authors: Σπυρόπουλος-Αντωνακάκης Νικόλαος 
Published: September 2021

Τα τελευταία χρόνια, η αναζήτηση νέων ημιαγώγιμων νανοϋλικών έχεικαταστεί ένας από τους μεγαλύτερους και πιο αναπτυσσόμενους τομείς έρευνας,καθώς η τεχνολογία των ηλεκτρονικών πλησιάζει με γρήγορους ρυθμούς τα όρια τηςνανοκλίμακας και οι φυσικές διαστάσεις των ηλεκτρονικών που αποτελούνται απόπυρίτιο, το πλέον διαδεδομένο υλικό στα ηλεκτρονικά, είναι πολύ δύσκολο ναπεριοριστούν περαιτέρω. Προς αυτήν την κατεύθυνση, και ωθούμενοι από τιςεντυπωσιακές ιδιότητες του GaN αλλά και των άλλων δύο ΙΙΙ-V νιτριδίων, AlN καιInN, συμπεριλαμβανομένων των κραμάτων τους, που οδήγησαν σε σημαντικέςεφαρμογές στην οπτοηλεκτρονική οι επιστήμονες των υλικών διεξάγουν εντατικέςπροσπάθειες για την αποδοτική παρασκευή και μελέτη τόσο θεωρητική όσο καιπειραματική των ιδιοτήτων σε ένα ευρύ σύνολο της κλάσης των μεταλλικώννιτριδίων. Τα μεταλλικά νιτρίδια στη νανοκλίμακα παρουσιάζουν πολλές νέες ήβελτιωμένες χαρακτηριστικές ιδιότητες και λειτουργίες, με πολλές από αυτές να μηνέχουν ερευνηθεί ακόμα.Αντικείμενο της διατριβής αυτής είναι η μελέτη και παρασκευή λεπτώνυμενίων τριών διαφορετικών μεταλλικών νιτριδίων, των InN, AuNx και a-TaNx. Ταλεπτά υμένια παρασκευάστηκαν με τη μέθοδο της παλμικής εναπόθεσης με λέιζερ μοριακού φθορίου που εκπέμπει στα 157 nm σε περιβάλλον καθαρού αζώτου και σεθερμοκρασία περιβάλλοντος και σε υποστρώματα είτε Si [100] είτε Si [100]επικαλυμμένου με Ta ή Au. Η μορφολογία τους μελετήθηκε με μεθόδουςμικροσκοπίας ατομικής δύναμης και ηλεκτρονικής μικροσκοπίας. Η επιβεβαίωσησχηματισμού των νιτριδίων έγινε ανάλογα με την περίπτωση με μεθόδουςφασματοσκοπίας ενεργειακής διασποράς ακτίνων X, απώλειας ενέργειαςηλεκτρονίων και Raman. Για τον ηλεκτρικό χαρακτηρισμό των δειγμάτωνχρησιμοποιήθηκε η τεχνική της αγώγιμης μικροσκοπίας ατομικής δύναμης (C-AFM)και από τις καταγεγραμμένες καμπύλες ρεύματος-τάσης μελετήθηκαν οι πιθανοίμηχανισμοί μεταφοράς φορτίων.Πρώτα, μετρήσεις C-AFM στο επίπεδο c νανοκρυστάλλων InN μεγέθους 5-20nm που αναπτύχθηκαν σε Si [100] επικαλυμμένου με Ta έδειξαν ότι ο κυρίαρχοςμηχανισμός μεταφοράς φορτίων είναι η θερμιονική εκπομπή ηλεκτρονίων από το φράγμα Schottky μεταξύ της ακίδας Pt/Ir του C-AFM και των νανοκρυστάλλων InN.Επίσης, ανιχνεύθηκαν φαινόμενα μνήμης από την υστέρηση που παρουσίασαν οικαμπύλες ρεύματος-τάσης κατά την διαδοχική αυξομείωση της εφαρμοζόμενηςτάσης. Τα φαινόμενα αυτά οφείλονται στην ανομοιογενή κατανομή των ηλεκτρονίωνστην επιφάνεια των υπό μελέτη νανοδομών και στον περιορισμό τους στιςσυνοριακές επιφάνειες με αποτέλεσμα την τοπική διαμόρφωση της στάθμης τουFermi. Ακόμη, καθορίστηκε ένα ανώτατο όριο στην ηλεκτρονική συγγένεια τωννανοκρυστάλλων InN. Επιπλέον, μελετήθηκε η μακρά οξείδωση εξαγωνικώνκρυσταλλικών νανοδομών InN εναποτεθειμένα σε Si [100] μετά την πάροδο έξιμηνών. Τα πυκνά στρώματα νανοδομών InN μεγέθους 5-40 nm έδειξαν ότιοξειδώνονται από το ατμοσφαιρικό οξυγόνο, αρχικά μέσω του σχηματισμού μιαςενδιάμεσης άμορφης κατάστασης In-Ox-Ny (οξυνιτρίδιο του ινδίου), σε μια τελικήκατάσταση που περιλαμβάνει ένα ποσοστό w-InN και ένα ποσοστό bcc-In2O3. Γιατην ανίχνευση των καταστάσεων των InN, In2O3 και του In-Ox-Ny χρησιμοποιήθηκαντεχνικές ηλεκτρονικής μικροσκοπίας. Μάλιστα, διαπιστώθηκε ότι όταν οιοξειδωμένες περιοχές ξεπερνούν τα 5 nm η άμορφη κατάσταση του In-Ox-Nyμεταβαίνει μέσω μιας αργής χημικής αντίδρασης στην κατάσταση του οξειδίου bcc In2O3.Στη συνέχεια, μελετήθηκαν οι νανοδομές του AuNx ως προς τις ηλεκτρικέςαλλά και εν μέρει τις μηχανικές ιδιότητές τους. Για τις μετρήσεις, οι νανοδομές τουAuNx τοποθετήθηκαν ανάμεσα στην Pt/Ir ακίδα του ατομικού μικροσκοπίου και έναλεπτό στρώμα χρυσού σχηματίζοντας έτσι μια επαφή μετάλλου-ημιαγωγού-μετάλλου. Παρότι τα περιορισμένα δεδομένα από τη βιβλιογραφία για τα λεπτάυμένια του νιτριδίου του χρυσού έχουν δείξει ότι η παρασκευή τους έχει φτωχήαπόδοση, είναι ασταθή και παρουσίαζαν μεταλλικές ιδιότητες, σε αυτή τη διατριβή οινανοδομές παρουσιάζουν ημιαγώγιμη συμπεριφορά και μεγαλύτερη σκληρότητα απόαυτή των λεπτών υμενίων καθαρού χρυσού. Οι καμπύλες ρεύματος-τάσης ταιριάζουνμε το μοντέλο δύο διόδων Schottky τοποθετημένων «πλάτη με πλάτη» και οκυρίαρχος μηχανισμός μεταφοράς φορτίων είναι η θερμιονική εκπομπή πεδίου μέσωηλεκτρονίων που διαπερνούν το φράγμα Schottky λόγω του φαινομένου σήραγγος.Ανάλογα με την ενεργή επιφάνεια της διεπαφής μεταξύ του μετάλλου και τωννανοδομών του νιτριδίου του χρυσού αυτές μπορεί να παρουσιάζουν ανορθωτική, σχεδόν συμμετρική ή ασυμμετρική συμπεριφορά. Χρησιμοποιώντας την προσέγγιση της πλήρους απογύμνωσης, υπολογίστηκε ένα ελάχιστο όριο για τη συγκέντρωση τωνπλεοναζόντων φορέων φορτίου στα όρια των νανοδομών, καθώς νανοδομές με πάχος6 nm ήταν αγώγιμες. Σε νανοδομές 6-10 nm παρατηρήθηκαν εκτός από τηνανόρθωση ρεύματος και φαινόμενα μνήμης λόγω αποθηκευμένων φορτίων. Ηαποθήκευση φορτίων κοντά στην επιφάνεια των νανοδομών ανιχνεύθηκε με τη χρήσητης ηλεκτροστατικής μικροσκοπίας δύναμης.Τέλος, με χρήση της τεχνικής C-AFM, μελετήθηκαν οι τοπικοί μηχανισμοίφορέων σε λεπτά υμένια άμορφου TaNx εναποτεθειμένου είτε σε υπόστρωμα Si[100] είτε σε υπόστρωμα Si [100] επικαλυμμένο με χρυσό. Τα αποτελέσματα για ταλεπτά υμένια a-TaNx εναποτεθειμένα σε Si [100] επικαλυμμένο με χρυσό έδειξαν ότιτο ρεύμα διαρροής είναι αμελητέο μέχρι να εφαρμοστεί υψηλή τάση πόλωσης.Αντίθετα στα λεπτά υμένια εναποτεθειμένα σε καθαρό Si [100] το κατώφλι τουρεύματος διαρροής ήταν αρκετά χαμηλότερο ενώ και η συνολική αντίσταση τηςδιάταξης ήταν μικρότερη. Ακόμη, οι καμπύλες ρεύματος-τάσης στην πρώτηπερίπτωση έδειξαν σημαντική υστέρηση και για τις δύο πολώσεις της εφαρμοζόμενηςτάσης, ενώ στη δεύτερη περίπτωση φαινόμενα υστέρησης παρατηρήθηκαν μόνο υπότάση ορθής πόλωσης. Οι καμπύλες ρεύματος-τάσης προσομοιώθηκαν με το μοντέλο της αγωγιμότητας περιορισμένης από φορτία χώρου.Τα παραπάνω αποτελέσματα που διαπιστώθηκαν στην παρούσα διατριβή δενέχουν αναφερθεί στην προϋπάρχουσα βιβλιογραφία. Επομένως είναι ιδιαίτερασημαντικά καθώς συμβάλλουν στην υπάρχουσα έρευνα των μεταλλικών νιτριδίωνδείχνοντας ότι με τον έλεγχο των παραμέτρων ανάπτυξής τους υπάρχουν προοπτικέςγια τη χρησιμοποίησή τους στην ανάπτυξη συσκευών μνήμης και τρανζίστορ.