Основные свойства диэлектриков. МДМ структуры и тонкие пленки. Лекция 2

1. Лекция 2

ЛЕКЦИЯ 2
ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ДИЭЛЕКТРИКОВ.
МДМ СТРУКТУРЫ И ТОНКИЕ ПЛЕНКИ
1

2.

ТОНКИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЛЕНКИ
Структуры МЕТАЛЛ – ДИЭЛЕКТРИК – МЕТАЛЛ:
Конденсаторы
Элементы FeRAM
Другие элементы, где управление свойствами диэлектрика
производится электрическим полем
М
1 – 2 мкм
Д
М
Даже при малых напряжениях
порядка нескольких вольт
напряженность электрического
поля в пленке весьма велика и
достигает величины 105 - 106 В/см
Электрические свойства систем МДМ могут резко отличаться от свойств,
ожидаемых при учете лишь объёмной проводимости примененных
диэлектриков , ширина запрещенной зоны которых обычно более 2 эВ.

3.

ВЛИЯНИЕ ГРАНИЦЫ «ЭЛЕКТРОД-ДИЭЛЕКТРИК»
Прохождение тока через тонкопленочные ДЭ материалы не определяется
собственными свойствами материала. В большинстве случаев эти токи
определяются процессами, происходящими в области контакта М-Д.
Е
1. Включение внешнего
электрического поля
приводит к инжекции
носителей из электрода
(металла) в диэлектрик в
результате возникновения
сильного электрического
поля на границе М - Д
2. Наличие ловушек в аморфной структуре диэлектрика (большинство
тонкопленочных диэлектриков имеют аморфную структуру) приводит к
возникновению проводимости за счет обрывов или перестройки валентных
связей в ловушках. Возникновение дефектов донорного и/или акцепторного
типа.

4.

ЗОННАЯ СТРУКТУРА
П
В
Строго говоря, ЗЗ с четко
выраженными границами
является свойством только
кристаллических тел . Для
аморфных сред происходит
размытие границ валентной зоны
и зоны проводимости из-за
отсутствия дальнего порядка.
Однако, так как большинство особенностей зонной структуры определяется
ближним порядком, можно распространить основные свойства зонной
структуры кристаллических тел на аморфное состояние. При этом ширина ЗЗ
соответствует некоторой средней величине реальной размытой энергетической
зоны.

5.

Контакты на границе металл-диэлектрик
В области контакта М-Д диэлектрик, с учетом низкой концентрации
носителей при нормальных условиях) может рассматриваться как
широкозонный полупроводник можно использовать подход для границы
металл-полупроводник
5

6.

ОМИЧЕСКИЙ КОНТАКТ
Для создания омических контактов нужно, чтобы соотношение работ
выхода электрона из металла и диэлектрика было χм < χд для понижения
потенциального барьера и эффективной термоэлектронной эмиссии,
благодаря чему плотность свободных носителей на контакте становится
больше, чем в объеме диэлектрика. Электрод может легко поставлять
электроны в зону проводимости диэлектрика. В приэлектродной зоне
создается область пространственного заряда (область обогащения). Для
сохранения электронейтральности такое же количество положительного
заряда формируется в приграничной области электрода.
При слабом обогащении толщина
области пространственного заряда
равна дебаевской длине экранирования
+
+
+
+
+
+
+
kT
Lд 20
e n0
1
2
(1)
Хорошим
омическим
контактом
считается контакт, если d << толщины
диэлектрика, чтобы инжектированный
заряд не изменял свойств диэлектрика
в его глубине.

7.

При сильном обогащении, когда концентрация носителей заряда у контакта nк
значительно превышает равновесную, в (1) следует заменить n0 на nк.
Сама концентрация nк зависит от величины χм-Ад, где А – энергия сродства к
электрону Ад = Е0-ЕСД.
В таблице приводятся расчетные значения d для различных величин χм-Ад.
Видно, что при комнатной температуре хороший омический контакт получается
тогда, когда величина χм-Ад не превышает 0,3 (эВ).
Глубина обогащенного слоя
[Технология тонких пленок. Т.2 / под ред. Л Майссела, Р. Гленга. – М.:
Современное радио, 1977. – 768 с.]
χм-Ад
0,1
d, мкм 1,6∙10-3
0,2
0,3
0,4
0,12
0,72
7,2
7

8.

ЗОННЫЕ СТРУКТУРЫ ПРИ ОМИЧЕСКОМ КОНТАКТЕ
8

9.

ПЛОХОЙ И ХОРОШИЙ ОМИЧЕСКИЙ КОНТАКТ
плохой
Зонные диаграммы в случае двух одинаковых
контактов и в отсутствие внешней разности
потенциалов.
Обогащенные области простираются вглубь
диэлектрика. В результате этого дно зоны
проводимости диэлектрика искривлено по всей
его толщине. Максимальное значение ЕС
больше χд-Ад – равновесного значения.
Причиной низкого качества контактов может
быть либо малая толщина диэлектрика, либо
большие потенциальные барьеры. Заряд,
содержащийся в плохом контакте,
недостаточен для эффективного экранирования
внутренней области диэлектрика от его границ.
хороший
Случай хороших и плохих омических
контактов.
Дно зоны проводимости диэлектрика
тонкое и ограничено экранирующими
ОПЗ.
9

10.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИ НЕЙТРАЛЬНЫЙ КОНТАКТ
Электрически нейтральный контакт предполагает, что в
диэлектрике нет объемных зарядов и изгиба краев зон.
Условиями плоских контактов являются соотношения работ
выхода металла диэлектрика χм = χд .
При χм = χд равновероятен переход электрона из металла и
диэлектрика, в результате чего суммарный ток равен нулю и
вблизи поверхности объемный заряд возникать не будет.
Нейтральный контакт определяется как контакт, при котором
концентрация носителей в приконтактном слое равна их
концентрации в объеме диэлектрика. Ток, инжектированный из
металлического контакта в диэлектрик, в соответствии с
законом Ома достигает анода. Ток, который может поступать из
катода (металла) ограничен величиной тока насыщения электронной
эмиссии через барьер. Как только этот предел достигается, процесс
проводимости перестает быть омическим.

11.

ЗОННЫЕ СТРУКТУРЫ ПРИ НЕЙТРАЛЬНОМ КОНТАКТЕ
Одинаковые и разные нейтральные контакты
11

12.

БЛОКИРУЮЩИЙ КОНТАКТ
Блокирующий (запирающий) контакт возникает при условии χм >
χд . При этом в приконтактной области создается обедненный
слой, который обеспечивает условие запирания. Поскольку
концентрация носителей в диэлектрике крайне мала, заряд формируется
только в случае достаточной толщины диэлектрика и степень искривления
зон в ОПЗ незначительна.
Если диэлектрик легирован донорной примесью концентрации Nд, то
1
блокирующий контакт ведет себя аналогично барьеру Шоттки. 2 2
0 0
d 2
e Nд
Толщину обедненной области можно определить как
Для создания достаточно тонкой зоны обеднения плотность доноров
должна быть более 1022 м-3.
Если к такому контакту приложить разность потенциалов, то толщина ОПЗ
1
будет увеличиваться
2
d
2 0 0 eU
e2 Nд

13.

ЗОННЫЕ СТРУКТУРЫ ПРИ БЛОКИРУЮЩЕМ КОНТАКТЕ
13

14.

ПЛОХОЙ И ХОРОШИЙ БЛОКИРУЮЩИЙ КОНТАКТ
плохой
Обедненные области простираются в
диэлектрик глубоко, так, что электрическое
поле существует по всей толщине
диэлектрика. Внутренняя область его
недостаточно экранирована
приконтактными зарядами. Причина
плохого качества заключается либо в малой
толщине диэлектрика, либо в
недостаточной степени его легирования.
хороший
Внутренняя часть диэлектрика свободна
от электрического поля и дно зоны
проводимости является плоским
14

15.

СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
ТОНКИЕ ПЛЕНКИ
15

16.

ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
Поиск новых материалов и новых способов
хранения и обработки информации

17.

ПОИСК НОВЫХ СПОСОБОВ ЗАПИСИ И ХРАНЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ
Схемотехнический путь развития («традиционный»)
Функциональная электроника (объединение функций
ввода, обработки и вывода информации). Создание таких
устройств опирается на интеграцию различных
физических эффектов и разных видов динамических
неоднородностей
Динамические неоднородности: изменяющиеся во времени
локальные области неравновесных состояний в континуальных средах:
•Поверхностные акустические волны;
•Цилиндрические магнитные домены;
•Модуляции электростатического потенциала (например, в приборах с
зарядовой связью;
•Квантовые ямы

18.

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ТОНКИХ ПЛЕНОК
Остаточная
поляризация,
диэлектрическая
проницаемость
(Е),
пиро- и
пьезоэффекты,
нелинейнооптические
свойства

19.

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ТЕХНОЛОГИИ СОЗДАНИЯ
ГЕТЕРОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКОВ
Основные проблемы:
1.Паровая фаза. Понятие пересыщенного пара является основным принципом, как
в технологии осаждения пленок, так и в моделях их роста. Однако, для сложных
оксидов понятие паровой фазы неприемлемо в силу их неконгруэнтного испарения
и физико-химических запретов на существование молекулярных соединений. В этой
связи и не совсем корректны модели, являющиеся основой существующих
технологий.
2.Нарушение стехиометрии. При разработке новых и совершенствовании
существующих способов получения сложных оксидов в пленочном виде приходится
сталкиваться с взаимоисключающими факторами: для обеспечения синтеза
оксидов необходимы высокие температуры, но при этом неизбежно происходит
испарение легколетучих компонент при температурах значительно меньших
температуры синтеза.
3.Влияние деформационных полей. Изменение сегнетоэлектрического состояния
в наноразмерных пленках связывают с большими механическими напряжениями на
границе пленка положка. Эти напряжения возникают вследствие несоответствия
решеток пленки и подложки, различием их коэффициентов теплового расширения,
возникновением спонтанной деформации при фазовом переходе (если пленка
осаждается при температурах выше температуры фазового перехода), и дефектами
типа дислокаций и вакансий.

20.

МЕТОДИКИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СЭТП
Синтез исходного оксида
проводится
непосредственно в
процессе роста пленки (in
situ)
Технологии ионно-плазменного
распыления, лазерные технологии.
Методики основаны на использовании
низкотемпературной
кислородной
плазмы, где окислительный процесс при
осаждении
сложных
оксидов
преобладает над восстановительным.
Известные в настоящее время in-situ
методы не позволяют получать структуры
с атомарно гладкой поверхностью
На подложку наносятся в
стехиометрии компоненты оксида
при низких температурах, а затем этот конденсат
подвергается многочасовой
термообработке в
кислородной среде с целью
проведения синтеза и
кристаллизации
Технологии
газо-химического
осаждения
(MOCVD),
золь-гель,
катодные методы
Результатом
осаждения
являются
поликристаллические
пленки,
что
создает проблему при наноразмерной
толщине.

21.

МЕТОДИКИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СЭТП
Эпитаксия: закономерное нарастание одного кристаллического материала на
другом.
ЭПИТАКСИЯ
ГЕТЕРОЭПИТАКСИЯ
d1 d2
d1/d2 0,1
ГОМОЭПИТАКСИЯ
d1 = d2

22.

МАГНЕТРОННОЕ РАСПЫЛЕНИЕ
Магнетронное распыление — технология нанесения тонких плёнок на подложку с
помощью катодного распыления мишени в плазме магнетронного разряда —
диодного разряда в скрещенных полях.
Плюсы:
•большая поверхность напыления,
•высокая скорость напыления;
•равномерность по толщине;
•возможность осаждения сложно-оксидных
соединений;
•эпитаксия;
•контроль толщины пленки по времени
осаждения.
Минусы:
•высокое энергопотребление;
•ограничение по выбору материалов
подложки (высокие температуры)

23.

ЛАЗЕРНАЯ АБЛЯЦИЯ
Лаазерная абляация (англ. laser ablation) — метод удаления вещества с поверхности лазерным
импульсом. При низкой мощности лазера вещество испаряется или сублимируется в виде
свободных молекул, атомов и ионов, то есть над облучаемой поверхностью образуется слабая
плазма, обычно в данном случае тёмная, не светящаяся (этот режим часто называется лазерной
десорбцией). При плотности мощности лазерного импульса, превышающей порог режима абляции,
происходит микро-взрыв с образованием кратера на поверхности образца и светящейся плазмы
вместе с разлетающимися твёрдыми и жидкими частицами (аэрозоля).
Плюсы:
•высокая скорость осаждения (> 1015 атом·см-2·с1
);
•быстрый нагрев и охлаждение осаждаемого
материала (до 1010 К·с-1), обеспечивающее
образование метастабильных фаз;
•непосредственная связь энергетических
параметров излучения с кинетикой роста слоя;
•возможность конгруэнтного испарения
многокомпонентных мишеней.
Минусы:
•малая область осаждения (зависит от размера
лазерного пятна);
•низкая эффективность расхода материала;
•образование кратера, как следствие – локальное
разрушение мишени, высокое рассеяние
материала и неоднородность по толщине.

24.

ЗОЛЬ-ГЕЛЬ
Золь-гель процесс (англ. sol-gel process) — технология материалов, в том числе наноматериалов,
включающая получение коллоидного раствора прекурсоров с последующим переводом его в гель, то
есть в систему, состоящую из жидкой дисперсионной среды, заключенной в пространственную сетку,
образованную соединившимися частицами дисперсной фазы.
Образование коллоидного раствора (золя)
Интенсивное образование контактов между частицами,
образование монолитного геля
Удаление раствора из геля
Кристаллизация
перовскитной фазы

25.

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА СЭТП
Определяющим признаком сегнетоэлектричества является возможность переключения между различными
(мета)стабильными состояниями при приложении электрического поля

26.

МЕХАНИЗМ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ
Во всех известных сегнетоэлектриках спонтанная поляризация
создается ионами и возникает либо в результате их смещения, либо в
результате упорядочения зарядов на ионах, которые могут находиться в
нескольких зарядовых состояниях (т.н. электронные сегнетоэлектрики).
Ненулевая спонтанная поляризация может существовать только в
кристаллах с полярной пространственной группой.

27.

МЕХАНИЗМ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ
При приложении поля в противоположном направлении будет
индуцирована поляризация противоположного знака.
Процесс изменения знака спонтанной поляризации под действием
внешнего поля называется переполяризацией.

28.

ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ ОБРАЗЦА НА ВИД ПЕТЛИ ГИСТЕРЕЗИСА
монодоменный
OА – спонтанная поляризация сегнетоэлектрика
АВ – индуцированная поляризация
полидоменный
OL – полная поляризация сегнетоэлектрика
EL – индуцированная поляризация
В кристаллах остаточная и спонтанная поляризация совпадают, в керамиках Рс > Ро

29.

СХЕМА СОЙЕРА-ТАУЭРА
СО – образец, исследуемая пленка
СЭ – эталонный конденсатор
QЭ = QО ; СЭ >> СО
СО = 500 ÷ 2000 пФ
СЭ = 0,5 ÷ 1,0 мФ
При указанных условиях практически
все приложенное напряжение падает на
образце:
UO ≈ U
При непрерывном изменении
напряжения отклонение луча
осциллографа по вертикали
пропорционально поляризации
кристалла, а по горизонтали – величине
приложенного напряжения
(электрического поля) поля.