Кафедра физики твердого тела

Специализация твердотельной электроники и микроэлектроники

Учебная лаборатория физики твердого тела

Электропроводность тонких диэлектрических пленок

Описание лабораторной работы подготовили:

студенты 4 курса

Потупалова Л.М., Штуберт А.Ю., Штуберт О.М.

Использованные литературные источники:

1) Райкерус П.А. – Методическое пособие по лабораторной работе «Электропроводность тонких диэлектрических пленок», Петрозаводск, 1984.

2) Малиненко В.П., Сергеева О.В. – Методические указания к лабораторной работе «Зонный и прыжковый механизмы переноса в неупорядоченных оксидах металлов», Петрозаводск, 2002.

Петрозаводск 2003г Электропроводность тонких диэлектрических пленок.

Цель работы:

1. Ознакомится с теорией электропроводности тонких диэлектрических пленок, с типами контактов металл-диэлектрик, с токами, ограниченными пространственным зарядом, с эффектом Паула-Френкеля в аморфных веществах.

2. Экспериментально исследовать электропроводность анодных окисных пленок на тентале или ниобии и нитриде кремния 1. Предварительные замечания Введение.

В этой лабораторной работе мы обсудим механизм проводимости в тонких диэлектрических пленках, входящих в структуру металл-диэлектрик-металл (МДМ), т.е. структур типа «сэндвич».

Слово sandwich в переводе с англ.языка означает «бутерброд», «слоистая структура». Так как в таких структурах применяют в основном тонкие пленки, обычно толщиной 1-2 мкм, то даже при малых напряжениях порядка нескольких вольт напряженность электрического поля в пленке весьма велика и достигает величины 105-106В•см-1. В противоположность свойствам в слабых полях, когда наблюдаются омические ВАХ (ток I линейно зависит напряжения U),в сильных полях свойства пленок более интересны, так как ВАХ обычно имеет ряд особенностей. Очень часто электрические свойства в сильных полях не могут быть удовлетворительно описаны одним механизмом проводимости и в различных диапазонах напряженности электрического поля могут доминировать разные механизмы.

Вопросы, касающиеся ионной проводимости, в данной лабораторной работе не рассматриваются, по ионной проводимости см. лабораторную работу по проводимости окисных пленок, погруженных в электролиты.

Экспериментальная часть работы посвящена исследованию ВАХ структур металл – анодная окисная пленка - металл или полупроводник – окись кремния – нитрид кремния – металл. В последнем случае полупроводник (Si) играет роль электрода, окись кремния и нитрид кремния – это диэлектрики.

Проводимость тонких пленок.

Диэлектрик –это материал, концентрация носителей в котором крайне низка, во многих веществах значительно меньше 1 см-3, вследствие чего он фактически не обладает проводимостью при комнатной температуре. Как будет показано ниже, прохождение тока через тонкопленочные материалы вовсе не определяется собственными свойствами диэлектриков. Электрические свойства систем МДМ могут резко отличаться от свойств, ожидаемых при учете лишь объёмной проводимости примененных диэлектриков, ширина запрещенной зоны которых обычно более эВ. Зачастую электрические характеристики таких систем определяются другими свойствами, такими как природа контакта электрод – диэлектрик. Омический контакт (см. ниже) способствует инжекции дополнительных носителей в диэлектрик, концентрация которых гораздо больше концентрации собственных носителей. Кроме того, напряжение в несколько вольт способно создать необычно сильное электрическое поле в пленке диэлектрика вблизи границы электроддиэлектрик, что способствует инжекции носителей из электрода в диэлектрик.

Другим важным фактором, который нужно учитывать при рассмотрении тонкопленочного диэлектрика, является наличие в нем ловушек, так как диэлектрические пленки в большинстве случаев являются некристаллическими (аморфными). В самое последнее время показано, что в аморфных веществах существует много таких ловушек, связанных с обрывом связей или с перестройкой этих связей (так называемые валентно-альтернативные дефекты, когда одновременно возникают в равной концентрации дефекты донорного и акцепторного типов).

Донорные центры приводят к электропроводности Пула – Френкеля, а по акцепторным ловушкам может осуществляться прыжковая проводимость.

Зонная структура.

Следует отметить, что на энергетических диаграммах запрещенная зона, разделяющая валентную зону и зону проводимости, изображается всегда с четко выраженными границами. Строго говоря, запрещенная зона с четко выраженными границами является свойством лишь кристаллических тел, а мы в большинстве случаев имеем дело с аморфными диэлектриками в виде тонких пленок.

Однако можно показать, что большинство особенностей зонной структуры твердого тела определяется ближним порядком, поэтому основные свойства зонной структуры кристаллического состояния можно перенести на аморфное состояние. Отсутствие дальнего порядка в некристаллических материалах вызывает развитие краев зоны проводимости и валентной зоны, так что энергетические зоны не являются четко выраженными. Но в первом приближении можно считать, что в диэлектрических пленках ширина запрещенной зоны строго определена и соответствует некоторой средней величине реальной размытой энергетической зоны. В пределах ограничений, налагаемых такой моделью, рассмотрим ряд особенностей структуры пленочных диэлектриков.

Пленочные оксиды переходных металлов, таких как тантал, ниобий, вольфрам, гафний, иттрий и др., при получении их анодным окислением являются неупорядоченными по своей структуре материалами. Заметную проводимость они проявляют в полях свыше 104-105 В/см. при этом в связи с особенностью структуры в них могут проявляться различные механизмы проводимости зонного и не зонного характера, а также нелинейная проводимость с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

При рассмотрении проводимости структуры металл-пленочный диэлектрик-металл важно знать, что представляет собой контакт металл-диэлектрик. По типам контакты могут быть нейтральными, омическими и выпрямляющими. В литературе [1,2] рассмотрены контакты полупроводников и диэлектриков с металлами и электролитами. Диэлектрики, к которым относятся многие окислы переходных металлов, можно рассматривать как широкозонные полупроводники с учетом низкой концентрации электронов при нормальных условиях. При этом подход к рассмотрению контактов металл-полупроводник, металл-диэлектрик будет одинаковым.

На рис.1 представлены схемы энергетических уровней для нейтрального контакта между металлом и диэлектриком. Электрически нейтральный контакт предполагает, что в диэлектрике нет объемных зарядов и изгиба зон, так что края зоны проводимости и валентной зоны остаются плоскими до поверхности металла. Условиями плоских контактов являются соотношения работ выхода металла m и изолятора или полупроводника.

При m = (рис. 1а) равновероятен переход электрона из металла и изолятора, в результате чего суммарный ток равен нулю и вблизи поверхности объемный заряд возникать не будет. При = (рис.1б и в) в области низких температур или когда уровень захвата электронов расположен высоко над уровнем Ферми Е, объемный заряд, захваченный ловушками, будет слишком мал, чтобы вызвать изгиб зон. Нейтральный контакт определяется как контакт, при котором концентрация носителей в приконтактном слое равна их концентрации в объеме изолятора. Ток, инжектированный из металлического контакта в изолятор, в соответствии с законом Ома достигает анода.