Свойства формованных тонкопленочных наноструктур

ВЕСТНИК ЮГОРСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА

2015 г. Выпуск 2 (37). С. 53-57

УДК 537.5

СВОЙСТВА ФОРМОВАННЫХ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ НАНОСТУКТУР

В. И. Зеленский, П. Е. Троян Введение

Тонкопленочная структура металл - диэлектрик - металл (МДМ-структура) приобретает новые физические свойства (вольтамперная характеристика тока с участком отрицательного дифференциального сопротивления, эмиссия электронов в вакуум) после того, как подвергается электрической формовке в вакууме [1].

В связи с тем, что с течением времени сила тока через МДМ-структуру необратимо возрастает, целесообразно применение импульсного режима [2].

Измерения быстродействия эмиссии электронов из МДМ-структуры показывают, что временная задержка импульса тока эмиссии относительно импульса напряжения между электродами не превышает 10 нс.

Цель исследования

Важной особенностью импульсного режима является увеличение максимального напряжения между электродами МДМ-структуры, в результате чего существенно расширяется диапазон изменения эмиссионного тока.

Исследования импульсных токов показывают, что импульс тока эмиссии повторяет форму импульса напряжения, приложенного между электродами МДМ-структуры, независимо от исходного состояния образца, в то время как параметры импульса тока, протекающего между электродами МДМ-структуры, существенно зависят как от предыдущего воздействия на образец, так и от параметров импульса напряжения.

Методы исследования

Методом задерживающего потенциала установлено, что функция распределения по энергии электронов, эмитированных в вакуум из МДМ-структуры, соответствует функции распределения Максвелла с температурой (12 - 14)-103K в зависимости от напряжения между электродами.

Многочисленные измерения показывают, что справедливым является следующее соотношение между 1С - силой тока, протекающего через МДМ-структуру, и IЭ - силой тока эмиссии

в вакуум: 1Э = а1С, где a - коэффициент токопереноса, имеющий значение 10-4 -10-3. В этой

связи целесообразным является изучение причин возникновения и закономерностей протекания тока через МДМ-структуру.

Рисунок 1 - Конструкция образца с МДМ-структурой:

1 - центральный металлический ввод (нижний электрод); 2 - внешний металлический цилиндр;

3 - изолятор; 4 - защитный диэлектрик; 5 - диэлектрический слой; 6 -тонкий металлический слой (верхний электрод); 7 - контакт к верхнему электроду

53

В. И. Зеленский, П. Е. Троян

На рис. 1 приведена схема образца, используемого в эксперименте. Тонкопленочные элементы МДМ-структуры наносятся на торцевую гладкую поверхность металлического стержня (ввода) 1. Электрические контакты к электродам МДМ-структуры осуществляются посредством ввода 1 - к нижнему электроду и поверхности внешнего металлического цилиндра 2 -к верхнему тонкому электроду 6.

Надежность контакта к тонкой металлической пленке верхнего электрода 6 обеспечивается напылением проводящего слоя металла 7 толщиной 0,5-0,6 мкм. С помощью защитного диэлектрика 4 возможно изготовление МДМ-структур с различной площадью.

При необходимости возможно изготовление нижнего электрода МДМ-структуры путем напыления металлического слоя на торец ввода 1.

Электрическая формовка, в результате которой МДМ-структура приобретает новые свойства, протекает в локальных участках диэлектрика, примыкающих к микроостриям электрода [3, 4]. При этом для увеличения электрической прочности диэлектрика требуется использование электродов с минимальными микронеровностями, а для осуществления электрической формовки необходима развитая система микроострий на поверхности электрода.

Обсуждение экспериментальных результатов

Эксперименты по электрической формовке МДМ-структур с различными материалами верхнего электрода показали, что наибольшей скоростью и степенью формовки, определяемой как отношение силы тока в максимуме вольтамперной характеристики ICMAX к силе тока в

минимуме ICMIN (рис. 2), обладают структуры с электродами из Au, Ag, Cu. Существенно

медленнее процесс электрической формовки протекает в системах с электродами из Al, Mg, Ba.

Данные ОЖЕ - спектроскопии указывают, что при напылении металлического электрода атомы металла могут в различной степени проникать в пленку диэлектрика. В системах

Mo-SiO2 — Mo в пленке диэлектрика присутствует до 10 % атомов молибдена, тогда как в системе Mo - SiO2 — In доля количество атомов индия не превышает 2-3 % в объеме диэлектрика и достигает 30 % вблизи границы верхний электрод-диэлектрик.

Для оптимального осуществления электрической формовки следует использовать в качестве верхнего электрода МДМ- структуры тонкую пленку из алюминия, полученную методом термического испарения в вакууме при температуре подложки 550-600 К и диэлектрическую пленку на основе оксинитрида кремния толщиной 50-80нм, полученную методом ионно-реактивного распыления.

Общие закономерности электрической формовки проявляются в том, что при приложении напряжения U > UФ « 4В между электродами МДМ-структуры, находящейся в

вакууме при давлении p < 10 2 мм рт. ст., через некоторое время (1-3 минуты) возникает и интенсивно возрастает с течением времени ток, протекающий через образец. Окончанием электрической формовки можно считать момент, когда ток через МДМ- структуру приобретает тенденцию к медленному возрастанию с течением времени.

Изменения вольтамперной характеристики тока IC через МДМ-структуру в процессе электрической формовки приведены на рис. 2.

54

Свойства формованных тонкопленочных наностуктур

Рисунок 2 - Вольтамперная характеристика МДМ-структуры Mo - SixNyOz - Al с участком

отрицательного дифференциального сопротивления, при последовательных циклах измерения 1-9

В результате электрической формовки на поверхности верхнего электрода МДМ-струк-туры возникают светящиеся точки, количество и параметры которых изменяются с течением времени. Экспериментально доказано, что области свечения совпадают с центрами эмиссии в вакуум, что дает возможность по картине свечения оценивать распределение эмиссионных центров МДМ-структуры.

Электронно-микроскопические исследования показали наличие на поверхности МДМ-структуры образований двух типов, которые существенно отличаются друг от друга [5]: каналов пробоя и формованных каналов. Каналы пробоя на поверхности электрода имеют диаметр 1-20 мкм, в то время как диаметр формованных каналов составляет 0,01-0,05 мкм. Поверхностная плотность составляет 102 ч 103 см-2 для каналов пробоя и 102 ч 107 см-2 для формованных каналов соответственно.

Исследования МДМ-структур, выполненные методом электронно-зондового рентгеновского микроанализа (рис. 3), показывают на существенное (с 35 % до 13 %) уменьшение концентрации материала верхнего электрода в области формованного канала и увеличение концентрации несвязанного кремния (с 42 % до 84 %).

Рисунок 3 - Фотография МДМ-структуры Mo-SixOyNz-Al и линии анализа содержания алюминия (вверху) и кремния (внизу) в области формованного канала

На основании экспериментальных данных и оценок предлагается следующая модель изменения структуры элементов МДМ-структуры в процессе электрической формовки.

На первом этапе электрической формовки происходит эмиссия электронов из микроост-рий отрицательного электрода по механизму Фаулера-Нордгейма. В результате взаимодействия электронов, ускоренных в сильном электрическом поле [6, 7], с атомами диэлектрика

55

В. И. Зеленский, П. Е. Троян

происходит образование дефектов вследствие разрыва ослабленных или деформированных связей Si — O , Si — H, Si — OH . Несвязанные атомы кремния приобретают положительный заряд и усиливают локальную напряженность электрического поля, что приводит к увеличению силы тока через диэлектрический слой. Длительность данного этапа достигает нескольких минут.

С ростом концентрации дефектов в диэлектрике начинается второй этап электрической формовки [8]. При этом на локальных участках за время 10-8 - 10-6 с происходит резкое возрастание плотности тока и осуществляется плавление и испарение фрагментов металлической пленки электрода с образованием микроотверстий над формованными каналами.

Третий этап электрической формовки заключается в процессе адсорбции газов остаточной атмосферы в область формованных каналов [9, 10]. Адсорбция молекул воды и углеводородов способствует росту проводимости и качественному изменению вольтамперной характеристики тока через МДМ-структуру.

Процесс электрической формовки сопровождается самоорганизаций пространственной наноструктуры материала [11]. В результате электрической формовки в МДМ-структуре происходит образование наноструктуры, схематично представленной на рис. 4.

5-10 нм

У///////Л М

50-60 нм

Рисунок 4 - МДМ-структура в результате электрической формовки

Д

При этом можно предположить, что в области формованных каналов образуются квантовые точки на основе кремния, атомов материала верхнего электрода и адсорбированных газов остаточной атмосферы.

Выводы

Такие свойства МДМ-структуры, как эмиссия электронов в вакуум, электролюминесценция с длиной волны излучения 480 нм определяются в первую очередь свойствами квантовых точек и нанозазора между квантовыми точками (Si) и участком верхнего электрода (M) в усло-

виях сильного электрического поля, напряженность которого составляет

108—109—

м

при

напряжении 10-15 В между электродами МДМ-структуры.

Литература

1. Галанский, В. Л. О природе электрической формовки тонкопленочного холодного катода [Текст] / В. Л. Г аланский, П. Е. Троян, Ю. Б. Янкелевич // Радиотехника и электроника. -1977. - Т. 22, № 6. - С. 1302-1304.

2. Особенности работы матрицы ненакаливаемых тонкопленочных эмиттеров в импульсном режиме [Текст] / Г. А. Воробьев, П. И. Антоненко, В. И. Зеленский, В. В. Ефимов // Электрон. техн. ; Сер. 4. Электровакуумн. и газоразряд. приборы. - 1988. - № 3(122). - С. 25-26.

3. Воробьев, Г. А. Формовка системы металл-диэлектрик-металл и ее пробой [Текст] / Г. А. Воробьев, В. И. Зеленский // Радиотехника и электроника. - 1989. - Т. 34, № 6. - С. 13121315.

56

Свойства формованных тонкопленочных наностуктур

4. Biederman, H. Emission patterns at varions conditions of imaging the electron emission of Al-LiF-Au structures // Phys. Stat. Sol. (a). - 1976. - V. 36. - № 2. - P. 783-789.

5. Troyan P. E., Sakharov Yu. V., Zhigal'skii A. A., Makrushin A. S. An electron-microscopic study of SiO2 films with a carbon impurity // Russian Physics Journal. - 2006. - Т. 49, № 2. - С. 219220.

6. Троян, П. Е. Эмиссионные структуры на основе формованных тонкопленочных систем [Текст] / П. Е. Троян, В. И. Зеленский // Нано- и микросистемная техника. - 2013. - № 4. -С. 9-11.

7. Гуляев, П. Ю. Контроль формовки МДМ-структур наноэлектроники в сильных электрических полях [Текст] / П. Ю. Гуляев, В. И. Зеленский, Ю. В. Сахаров, П. Е. Троян // Ползунов-ский вестник. - 2010. - № 2. - С. 68-71.

8. Баранов, А. В. Механизм электропроводности в структурах Al-Si3N4-Al [Текст] / А. В. Баранов, Л. А. Троян // Изв. вузов. Физика. - 1973. - № 10. - С. 20-24.

9. Гуляев, П. Ю. Исследование плотности тока в наноструктурах металл-диэлектрик-ме-талл [Текст] / П. Ю. Гуляев [и др.] // Ползуновский альманах. - 2011. - № 1. - С. 21-24.

10. Баранов, А. В. Влияние пространственного заряда на электропроводность структур Al-Si3N4-Al [Текст] / А. В. Баранов, Л. А. Троян // Изв. вузов. Физика. - 1973. - № 5. - С. 151153.

11. Валиев, К. А. Электроформовка как процесс самоорганизации нанометрового зазора в углеродистой среде [Текст] / К. А. Валиев, В. М. Мордвинцев, В. Л. Левин // ЖТФ. - 1997. -Т. 67, № 11. - С. 39-44.

12. Моделирование технологических процессов плазменного напыления покрытий наноразмерной толщины [Текст] / П. Ю. Гуляев, И. П. Гуляев // Системы управления и информационные технологии. - 2009. - № 1.1(35). - С. 144-148.

57