Главная » 2014 » Июнь » 25 » Скачать Получение и свойства ультратонких кремнийорганических пленок для ориентации жидких кристаллов. Мазаева, Вера Генриховна бесплатно
02:30
Скачать Получение и свойства ультратонких кремнийорганических пленок для ориентации жидких кристаллов. Мазаева, Вера Генриховна бесплатно
Получение и свойства ультратонких кремнийорганических пленок для ориентации жидких кристаллов
Диссертация
Автор: Мазаева, Вера Генриховна
Название: Получение и свойства ультратонких кремнийорганических пленок для ориентации жидких кристаллов
Справка: Мазаева, Вера Генриховна. Получение и свойства ультратонких кремнийорганических пленок для ориентации жидких кристаллов : диссертация кандидата технических наук : 02.00.08 Москва, 2005 164 c. : 61 05-5/2954
Объем: 164 стр.
Информация: Москва, 2005
Содержание:
СОДЕРЖАНИЕ
УСЛОВНЫЕ ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1 ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА МНОГОСЛОЙНЫХ НАНОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ АМОРФНОГО КРЕМНИЯ
СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ
11 Понятие аморфной "сверхрешетки"
12 Зонная структура аморфных МНС
121 Зонная диаграмма одиночного слоя a-Si:H/Si02
122 Зонная диаграмма МНС a-Si:H/a-SiC:H
123 Зонная диаграмма ДБ-структуры a-Si:H/a-Si3N4:H
124 Зонная диаграмма МНС a-Si/a-Ge:H
13 Условия размерного квантования в аморфных МНС
14 Свойства МНС на основе a-Si:H
141 Структурные свойства МНС
1411 Свойства границ раздела
1412 Свойство периодичности
142 Оптические свойства аморфных МНС
143 Параллельный электронный транспорт в аморфных МНС
144 Вертикальный электронный транспорт в аморфных МНС
145 Фотолюминесценция в аморфных МНС
15 ВЫВОДЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
ГЛАВА 2 МЕТОДИКА ПОЛУЧЕНИЯ АМОРФНЫХ ПЛЕНОК И МНС
И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
21 Ультратонкие пленки кремния, германия и МНС на их основе
Напыление и контроль параметров в процессе напыления
211 Параметры ультратонких пленок
212 Параметры МНС
22 Методики структурных исследований МНС
221 Метод атомно-силовой микроскопи
222 Метод малоугловой рентгеновской дифракции
223 Метод Оже-спектроскопии
23 Методы оптических измерений аморфных МНС
231 Измерение и обработка спектров пропускания и отражения
232 Измерение фотолюминесценции
24 Методы исследования электрофизических свойств МНС
241 Измерение электропроводности и ВАХ
242 Измерение температурной зависимости проводимости
ГЛАВА 3 СВОЙСТВА УЛЬТРАТОНКИХ СЛОЕВ a-Si и a-Ge
КАК МАТЕРИАЛОВ АМОРФНЫХ МНС
31 Влияние толщины пленки и материала подложки на формирование аморфных ультратонких слоев
32 Измерение толщины ультратонких пленок методом АСМ
33 Влияние толщины на свойства ультратонких слоев
331 Оптические свойства a-Si и a-Ge
332 Электрофизические свойства a-Si и a-Ge
34 ВЫВОДЫ
ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ
АМОРФНЫХ МНС а-Si/a-Ge, a-Si/Si02, a-Si/ZrOx, a- Ge/Si02
41 Результаты измерения периода МНС a-Si/ZrOx, a-Si/a-Ge и a-Ge/Si02 методом малоугловой рентгеновской дифракции
42 Исследование периодичности МНС методом АСМ
421 Исследование клина травления МНС a-Si/ZrOx
422 Исследование скола МНС a-Si/a-Ge
УСЛОВНЫЕ ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ a-Si{:H) - аморфный (гидрогенизированный) кремний; a-Ge(:H) - аморфный (гидрогенизированный) германий; a-Si, Ge:H - кремний- германиевый сплав; a-Si,N:H, a-Si,C:H, a-Si,0:Н- широкозонные сплавы аморфного кремния; dr — период многослойной наноструктуры; db толщина барьерного слоя; dw толщина ямного слоя;
Eg ширина запрещенной зоны (щель подвижности);
ЛЕф) разрыв в зоне проводимости (валентной зоне);
Еф)п энергия минизон в зоне проводимости (валентной зоне);
Дф)п ширина минизон в зоне проводимости (валентной зоне); п = 1, 2, 3 - квантовое число;
Ef - уровень Ферми; кв - постоянная Больцмана;
Т температура;
Мо подвижность электронов; e{h) эффективная масса электрона (дырки); q заряд электрона;
Тр - время свободного пробега;
Tin время неупругого рассеяния/ длина свободного пробега электрона;
D коэффициент диффузии; а коэффициент поглощения;
7)| - проводимость, параллельная плоскости слоев; сг± поперечная проводимость;
CP - кристаллическая сверхрешетка;
MHC- аморфная многослойная наноструктура; кя - квантовая яма;
ДБ ОБ двухбарьерная структура; однобарьерная структура;
JIC - локализованное состояние;
ОС - оборванная связь;
ПЛС - плотность локализованных состояний;
АСМ - атомно-силовая микроскопия;
МРД - малоугловая рентгеновская дифракция
Введение:
Актуальность проблемы: Одним из основных направлений в современной физике полупроводников является физика твердотельных наноструктур, объектом исследований которой являются системы с ограничением движения носителей в одном, двух или трех направлениях. Это так называемые структуры с квантовыми ямами (КЯ) или сверхрешетки (CP), структуры с квантовыми нитями и квантовыми точками. Оказалось, что уменьшение размеров системы до значений, сравнимых с длиной волны де-Бройля носителей заряда в кристалле ?н =h/m*u, приводит к новым физическим свойствам, не характерным для объемных полупроводников. Эти свойства обусловлены волновой природой электрона и определяются квантово-размерными эффектами.
Пожалуй, наименее изученными из этого класса объектов являются аморфные аналоги кристаллических CP [1, 2] - наноструктуры на основе аморфных тетраэдрических полупроводников - кремния (a-Si) или германия (a-Ge), состоящие из чередующихся ультратонких слоев (1-ИО нм) аморфного гидрогенизированного кремния a-Si:H и сплавов на его основе (a-SiCx:H, a-SiNx:H, a-SiOx:H, a-Ge,Si:Н). Эти структуры интересны уникальными электрическими и оптическими свойствами, которые одновременно сочетают в себе особенности, присущие неупорядоченным системам - аморфным полупроводникам, и в то же время проявляют эффекты размерного квантования носителей в системе искусственно созданных чередующихся потенциальных ям и барьеров [3].
Получение и исследование свойств аморфных кремниевых наноструктур на сегодняшний день является одним из перспективных направлений в области физики аморфных полупроводников. Во-первых, такие структуры представляют фундаментальный интерес с точки зрения изучения эффектов размерного квантования в неупорядоченных системах, природа которых еще далека до полного понимания. Во-вторых, эти исследования имеют важное прикладное значение, поскольку открывается возможность создания активных пленочных приборов на основе аморфного кремния [1].
Действительно, аморфные многослойные наноструктуры обладают физическими свойствами [3-7], схожими со свойствами кристаллических CP, которые в настоящее время уже достаточно хорошо изучены и нашли применение как структуры с управляемым зонным спектром [1, 8]. По аналогии с кристаллическими CP свойства аморфных структур часто интерпретируют в рамках размерного квантования и называют аморфными сверхрешетками. Мы будем придерживаться более строгой терминологии, и называть их аморфными многослойными наноструктурами (МНС).
Идея искусственных периодических структур, обладающих свойствами [9-11], не реализуемыми в природных веществах, была высказана Есаки и Цу более 30 лет назад [9]. Некоторые свойства CP были предсказаны уже заранее, в частности, вывод о наличии у них падающей вольтамперной характеристики был сделан J1.B. Келдышем еще в 1962 году [10]. Но реализована эта идея была лишь с развитием современной эпитаксиальной технологии [12], когда стало возможным воспроизводимое получение нанопериодических искусственных структур.
Первая публикация по исследованию аморфных МНС относится к 1983 году, когда японские физики Мунеката и Кукимото [13] впервые представили результаты по исследованию оптического поглощения в МНС a-Si:H/a-Sio.2Co.8-H. В этой работе сообщалось об эффекте увеличения оптической щели Eopt и изменении формы края поглощения при уменьшении толщины слоев a-Si:H менее 2.5 нм. Чуть позже Абелес и Тьеджи [14] наблюдали подобный эффект в МНС a-Si:H/a-SiNx:H при толщине слоев a-Si:H менее 5 нм. В обоих случаях эффект интерпретировался как результат квантового ограничения носителей в слоях a-Si:H. Эти работы положили начало активным исследованиям МНС на основе a-Si:H и его сплавов (a-SiOx [15], a-Sii.xCx:H [16], а-SiNx:H[n]na-Sij.xGex:H[3, 18]).
В дальнейшем существование квантовых размерных эффектов в структурах на основе a-Si:H было достаточно убедительно продемонстрировано не только по сдвигу края поглощения [19], но и по сдвигу полос люминесценции [19, 20], из экспериментов по дифференциальной спектроскопии поглощения [5, 6], квантовому закону Ома [21], магнитным квантовым эффектом [22], эффектом резонансного туннелирования [4, 23-26].
Большинство представленных на сегодняшний день публикаций посвящено изучению свойств аморфных МНС на основе гидрогенизированного
Несмотря на большое количество работ, однозначной теории, объясняющей происхождение эффектов размерного квантования в a-Si:H-MRC, не существует. По данным фемтосекундной спектроскопии [34, 35] толщина ямных слоев a-Si:H должна быть, по крайней мере, меньше 39 А, иначе произойдет нарушение фазовой когерентности, необходимой для возникновения эффектов размерного квантования. Согласно Шкловскому [32], если длина упругого рассеяния в a-Si:H составляет ?е = 4.5 А, то эффекты размерного квантования возможны только при ширине ям dw < 9 А, а согласно Цу [33] -при толщине ямных слоев dw < 40 А, тогда как экспериментально эффекты наблюдались уже при dw < 50 А (см., например, [14]).
Разногласия при оценке характерной длины, на которой проявляются эффекты размерного квантования в a-Si:H, привели к тому, что для объяснения наблюдаемых явлений были привлечены другие интерпретации, не связанные с размерным квантованием [24, 36-40]. Например, в работе [36] "эффект" увеличения оптической щели назвали следствием нарушения закона Тауца, устраняемым при использовании зависимости Коди [41]. Бернхард с соавторами [38], исследуя зависимость спектров поглощения от толщины барьерных и ямных слоев, экспериментально обнаружил, что уменьшение толщины барьерного слоя приводит к обратному эффекту - уменьшению Eopt, тогда как в случае размерного квантования она не должна зависеть от толщины барьера. Увеличение энергии Урбаха и уменьшение планарной проводимости с уменьшением толщины ямных слоев также нашло альтернативное объяснение как уширение хвостов зон и увеличение вклада слоев перемешивания на границах раздела по мере утонения слоев в МНС [7, 37].
Позднее для объяснения нелинейностей ВАХ двухбарьерных (ДБ) структур a-Si:H/a-SiNx:H, до этого интерпретируемых эффектом резонансного туннелирования [4], была привлечена модель, основанная на смене механизмов проводимости [40]. Обнаруженная зависимость нелинейностей в ДБ-структурах a-Si:H/a-SiCx:H от скорости развертки напряжения [39] интерпретировалась емкостным эффектом. Обоснованием для такого подхода послужило подобие наблюдаемых скачков тока в однобарьерных (ОБ) структурах a-Si:H/a-SiCx:H [24] или a-Si:H/a-SiNx:H [40].
Таким образом, однозначной интерпретации свойств аморфных МНС до сих пор нет. Для правильного понимания природы наблюдаемых явлений требуются, с одной стороны, новые чувствительные методики исследования структуры и свойств МНС, учитывающие врожденную неупорядоченность аморфных слоев, и, с другой стороны, прецизионные технологии, позволяющие воспроизводимо получать аморфные наноструктуры с заданными параметрами искусственного периодического потенциала.
Подытоживая вышесказанное, можно сказать, что исследования аморфных МНС в целом включают три взаимосвязанные проблемы. Первая -это разработка и совершенствование технологии формирования аморфных МНС (в частности на основе a-Si) высокого качества. Вторая проблема связана с изучением эффектов размерного квантования в неупорядоченных системах (аморфных МНС) и представляет фундаментальный интерес. И, наконец, третья проблема представляет практический интерес, позволяющий расширить функциональные и технологические возможности тонкопленочной наноэлектроники [42] с применением аморфного кремния.
Актуальность настоящих исследований обусловлена следующими важными преимуществами а-57-МНС перед кристаллическими CP:
1. Отсутствие условия согласования решеток, что позволяет комбинировать практически любые материалы при создании аморфных МНС. При этом аморфные МНС могут быть получены практически с атомно-резкими границами раздела [43, 44]. Это становится возможным в силу свойственной аморфным полупроводникам неупорядоченности структуры и существенно расширяет класс используемых материалов.
2. Относительная простота и дешевизна изготовления аморфных МНС делают их привлекательными не только для физических исследований, но и для конструирования различных электронных приборов.
3. Возможность нанесения пленочных структур с аморфными МНС на подложки большой площади.
4. Более высокая радиационная стойкость МНС на основе безводородного аморфного кремния a-Si не только по сравнению с кристаллическими CP, но также по сравнению с МНС на основе a-Si:H.
В настоящее время созданы приборы, где используются свойства МНС на основе a-Si:H. Это тонкопленочные полевые транзисторы, датчики изображения, фотоэлементы (см., например, [45, 46]). Существование отрицательной дифференциальной проводимости в аморфных МНС открывает перспективы создания на их основе генераторов - активных пленочных приборов, что на сегодняшний день находится в начальной стадии исследований. Открытие новых эффектов, несомненно, приведет к расширению области применения устройств на основе этого многофункционального материала
Цель настоящей работы состояла в разработке методики формирования ультратонких слоев a-Si и a-Ge и многослойных периодических наноструктур на основе безводородного a-Si с периодом —(1 -е-10) нм и изучении структурного качества, оптических и электрических свойств в зависимости от толщины слоев и периода наноструктур с целью изучения в них эффектов размерного квантования.
В процессе исследования решались следующие задачи:
1. Разработка методики получения аморфных многослойных наноструктур различного композиционного состава: полупроводник/полупроводник (а-Si/a-Ge) и полупроводник/диэлектрик (a-Si/ZrOx, a-Si/Si02, a-Ge/Si02) и решение ряда проблем, связанных, во-первых, с получением качественных ультратонких слоев аморфных полупроводников (-3-^26 нм); во-вторых, с контролем толщины как отдельных ультратонких слоев, так и толщины слоев в структуре; в-третьих, с контролем периодичности сформированных МНС.
2. Определение структурных характеристик МНС, включающее измерение периода и оценку отклонения наноструктуры от "идеальной" методом малоугловой рентгеновской дифракции (МРД); исследование композиционной периодичности МНС методом Оже-спектроскопии; исследование периодичности и измерение периода МНС с помощью специально разработанных методик атомно-силовой микроскопии (АСМ).
3. Изучение влияния поверхности подложки и толщины пленки на формирование отдельных ультратонких Зч-26 нм) аморфных пленок и границы раздела аморфных МНС.
4. Выявление основных закономерностей в поведении структурных, электрофизических и оптических свойств отдельных ультратонких аморфных пленок a-Si и a-Ge при уменьшении их толщины вплоть до нескольких нанометров.
5. Изучение влияния толщины слоев МНС на форму края поглощения и величину эффективной оптической щели аморфных наноструктур, а также исследование фотолюминесценции в a-»S7-MHC.
6. Изучение влияния толщины слоев на электропроводность и вольтам-перные характеристики аморфных МНС, измеренные вдоль и по нормали к границам раздела, с выявлением особенностей электронного транспорта в наноструктурах по сравнению с "объемным" a-Si и отдельными ультратонкими аморфными пленками.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Впервые проведено комплексное исследование многослойных периодических наноструктур на основе безводородного аморфного кремния (a-Si) с периодом (1-И0) нм, полученных испарением, включающее разработку методики формирования наноструктур, исследование структурных, оптических и электрических свойств.
2. Впервые показано, что сформированные многослойные периодические наноструктуры на основе безводородного a-Si обладают периодичностью, имеют качественные границы раздела и не уступают высокотехнологичным наноструктурам на основе a-Si:H, что открывает широкие возможности изучения a-S7-MHC как нового объекта для фундаментальных и прикладных исследований.
3. Получен новый композиционный полупроводниковый материал - многослойная наноструктура д-Л'/диэлектрик (Si02, ZrOx) с периодом (1ч-10) нм со свойствами, не характерными для "объемного" безводородного аморфного кремния: варьируемой шириной оптической щели (2.1+2.35 эВ), фотолюминесценцией (1.28-И .38 эВ), анизотропией проводимости, нелинейными вольтамперными характеристиками.
4. Впервые показано, что оптические и электрические свойства МНС а-57/диэлектрик (ZrOx, Si02) при dw < 5 нм подобны a-Si:H-MHC и могут интерпретироваться квантовым ограничением носителей в узкозонных слоях a-Si.
5. Впервые показано, что высокая ПЛС в безводородном a-Si не приводит к существенным отличиям в поведении д-Л'-МНС от a-Si:H-MRC, т.е. плотность состояний либо не играет существенной роли, либо в МНС а-&'/диэлектрик с барьерными слоями (.ZrOx, Si02) возникает эффект снижения ПЛС в ямных слоях a-Si толщиной dw< 5 нм без гидрогенизации, что открывает возможность получения материала со свойствами, подобными a-Si:H, но с более высокой стойкостью к деградации.
ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:
1. Полученные аморфные МНС обладают высокой степенью периодичности и характеризуются малым отклонением от "идеальной" структуры сг = 2.8-4.4 А. Шероховатость 1+8 нм подложек (СТ-50, С5-1, КЭФ (100)) не влияет на макроскопическую однородность (сплошность) аморфных слоев a-Si (a-Ge) в исследованной области толщин -(3+26) нм.
2. Увеличение оптической щели, уменьшение планарной проводимости и увеличение сэндвич-проводимости в а-Л'-МНС с dw < 5 нм качественно схожи с поведением отдельных ультратонких пленок a-Si и а-Ge толщиной d < 12 нм, образующих одиночные КЯ с естественным потенциальным барьером слоя окисла (50 А) на поверхности пленки. Изменение свойств a-iSY-MHC при dw < 5 нм обусловлено структурными (физико-химическими) изменениями в слоях a-Si, приводящими к снижению ПЛС, и эффектами квантового ограничения носителей.
3. В аморфных наноструктурах а-5г/диэлектрик (ZrOx, Si02) изменение характера спектральной зависимости коэффициента поглощения от квадра
1 /9 тичной (ahco) = fihco) к линейной ahco = /{ha)), сопровождающееся увеличением эффективной оптической щели, и появление плато на I-V зависимостях при dw < 5 нм могут быть интерпретированы эффектом квантового ограничения носителей в узкозонных слоях a-Si.
4. Аморфные наноструктуры а-57/диэлектрик (ZrOx, Si02) обладают анизотропией электропроводности, усиливающейся с уменьшением толщины узкозонных слоев a-Si при dw < 5 нм - сэндвич-проводимость сг± возрастает до 10"4 Ом^см"1, а планарная проводимость щ спадает до 8.9-10"9 Ом" ^м"1 и при этом не зависит от толщины барьеров.
5. Аморфные МНС на основе безводородного a-Si с диэлектрическими оксидными барьерами (Si02, ZrOx) при dw < 5 нм обладают свойством фотолюминесценции с энергией 1.28-И.38 эВ. Механизм ФЛ в a-Si-МНС подобен a-Si:H за счет снижения ПЛС в ямных слоях a-Si при dw< 5.
Апробация работы. Основные результаты диссертации были представлены: на Всероссийской конференции "Кремний -96" (Москва, 1996 г.), Научных чтениях им. академика Н.В. Белова" (Н. Новгород, 1997-2000 гг.), Всероссийском симпозиуме "Аморфные и микрокристаллические полупроводники" (С.-Петербург, 1998 г.), Всероссийских семинарах "Физические и физикохимические основы ионной имплантации" (Н. Новгород, 1998-2000 гг.), Нижегородских сессиях молодых ученых (Н. Новгород, 1998-2001 гг.), Всероссийских молодежных конференциях по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (С.-Петербург, 1999-2000 гг.), Всероссийском совещании "Зондовая микроскопия-99" (Н. Новгород, 1999), Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники" (ПЭМ-99) (Таганрог, 1999 г.), Int. Workshop "Scanning Probe Microscopy-2001" (Nizhny Novgorod, 2001), V Всероссийской конференции по физике полупроводников (Н. Новгород,
2001 г.), Всероссийском Совещании "Нанофотоника-2002" (Н. Новгород,
2002 г.), а также на студенческих конференциях физического факультета ННГУ и семинарах НОЦ СЗМ ННГУ и кафедры физики полупроводников и оптоэлектроники ННГУ (1996-2001).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 27 работ, из них 1 - в иностранной печати. В журналах и специализированных сборниках опубликовано 9 статей, в виде тезисов на конференциях - 18 работ.
Работа выполнена при поддержке совместной Российско-американской программы Министерства образования РФ и Американского фонда гражданских исследований и развития (CRDF) "Фундаментальные исследования и высшее образование", N гранта REC-001 и гранта Министерства образования РФ по фундаментальным исследованиям в области технических наук Т00-2.2-2272.
