Электрические свойства нанокомпозитов металл-диэлектрик и поликристаллических полупроводников с инверсно-легированными границами зерен тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Рожанский, Игорь Владимирович

• Рожанский, Игорь Владимирович
• кандидат физико-математических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Рожанский, Игорь Владимирович

Введение

1 Физические свойства нанокомпозитов

1.1 Моделирование структуры нанокомпозитов.

1.2 Электростатическая энергия системы металлических паногранул

1.3 Прыжковая проводимость в системе металлических наногранул

1.4 Эффект поля.

2 Физические свойства и структура поликристаллических керамических полупроводников

2.1 Свойства одиночной межзеренной границы

2.2 Квазитрехмерная модель на основе сетки Вороного.

2.3 Двумерная диффузионно-дрейфовая модель.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Электрические свойства нанокомпозитов металл-диэлектрик и поликристаллических полупроводников с инверсно-легированными границами зерен»

Актуальность темы.

Одним из важных направлений современной физики твердого тела является исследование свойств новых материалов с неоднородной структурой. Значительное внимание уделяется исследованию электрических свойств различных гранулированных неупорядоченных сред, таких как нанокомиозиты металл-диэлектрик и поликристаллические полупроводники с инверсно-легированными границами зёрен. Эти гранулированные материалы представляют собой систему твердотельных проводящих кластеров, гранул или зёрен, разделенных зазорами, заполненными другим материалом или расположенных вплотную друг к другу. При этом размеры, форма частиц, их взаимное расположение носит, как правило, случайный характер. В таких системах возникают новые физические эффекты, принципиально связанные со статистическим разбросом указанных параметров. В то время, как структурные параметры гранулированной среды существенным образом определяют её электрические свойства, имеются значительные трудности в определении параметров микроструктуры этих материалов имеющимися методами диагностики. Поэтому разработка новых методов анализа и моделирования структуры является важной задачей.

Фундаментальная проблема, возникающая при анализе электрических свойств гранулированных сред связана с их нерегулярной природой. Несмотря на то, что во многих случаях элементарный процесс переноса заряда между двумя проводящими гранулами с фиксированными параметрами достаточно хорошо изучен, переход к макроскопическим электрическим свойствам материала в целом, представляющего собой статистический ансамбль гранул, является нетривиальной задачей.

В нанокомпозитах металл-диэлектрик - системах металлических кластеров манометрового размера, разделенных диэлектрическими барьерами, микроскопический механизм прыжкового транспорта связан с эффектом "кулоновской блокады", т.е. наличием энергетического барьера, препятствующего туннелированию электронов. При этом зарядовая энергия существенным образом зависит как от размеров гранул, так и от их взаимного расположения. Определение средней зарядовой энергии и её разброса в плотной системе металлических гранул, является актуальной задачей. Важным как с теоретической, так и прикладной точек зрения является анализ протекания макроскопического тока в металл-диэлектрическом нанокомпозите, зависимости электрической проводимости от структурных параметров материала, геометрии образца, температуры и приложенного внешнего электрического поля, в частности возможности её эффективной модуляции поперечным электрическим полем.

Как и для нанокомпозитов, для поликристаллических полупроводников с инверсно-легированными межзёренными границами в настоящее время разработаны аналитические и численные модели зарядового транспорта меж;;у двумя отдельными гранулами - через потенциальный двойной барьер Шоттки, возникающий на стыке зёрен, в то же время вопрос о переходе от свойств одной межзе-ренной границы к свойствам образца, содержащего большое количество зёрен в настоящее время изучен плохо. В частности, актуальной задачей является анализ электрических свойств материалов, средний размер зёрен в которых сравним с шириной потенциального барьера на границе. В этом случае рассмотрение процесса электронного транспорта на основе модели одиночного барьера Шоттки вообще неприменимо, и для адекватного описания электрических свойств таких систем требуется разработка новых подходов с применением методов численного моделирования.

Гранулированные неупорядоченные материалы могут обладать электрическими свойствами, важными с точки зрения приборных применений в микро- и нано-электронике. Важным достоинством неупорядоченных гранулированных материалов является то, что технологический процесс их получения относительно дешев и легко масштабируется, что определяет возможность широкого использования их в различных прикладных областях. С прикладной точки зрения актуальной задачей является изучение возможности создания на основе таких структур новых приборов с улучшенными характеристиками. В частности, представляет интерес создание на основе нанокомпозита металл-диэлектрик полевых транзисторов, использование поликристаллических керамических полупроводников в перспективных устройствах оперативной памяти, активных матрицах жидкокристаллических дисплеев, создание па их основе интегральных схем пассивных элементов и др.

Целью данной работы являлись

• Разработка методов анализа структурных параметров нанокомпозитов металл-диэлектрик с высокой плотностью металлических наночастиц, включая определение среднего размера частиц, дисперсии размеров, параметров распределения частиц в объеме. Построение адекватной численной модели структуры поликристаллических полупроводников на основе представлений о механизме формирования зёрен.

• Изучение зависимости макроскопического электрического тока в наноком-позитах металл-диэлектрик от параметров микроструктуры материала, геометрии образца, температуры и приложенного внешнего электрического поля. Изучение возможности модуляции электрической проводимости нано-комиозита поперечным электрическим полем. Для этого разработана новая численная модель электронного прыжкового транспорта в нанокомпозигах на основе подхода молекулярной динамики, т.е. путём моделирования прыжков электронов в системе металлических гранул, разделенных туинельно-прозрачными зазорами.

• Исследование электрических свойств поликристаллических полупроводников с инверсно-легированными границами зёрен, зависимости проводимости и емкости от геометрических параметров поликристаллической структуры материала и размера зёрен. При этом подход на основе решения уравнений диффузионно-дрейфового переноса заряда в полупроводниках впервые применяется совместно с моделью поликристаллической структуры на основе сетки Вороного. Такая модель позволяет проанализировать влияние геометрических параметров поликристаллической структуры на её электрические свойства, в частности впервые количественно описать переход от случая больших зёрен к случаю малых зёрен, когда средний размер зерна становится сравним с шириной потенциального барьера на межзёренпой границе.

• В задачу работы входило изучение возможности использования исследованных структур для создания новых типов электронных приборов: полевых транзисторов на основе нанокомпозитов металл-диэлектрик, варисторов и миниатюрных устройств оперативной памяти на основе поликристаллических керамических полупроводников.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана новая численная модель, описывающая когерентное рассеяние излучения в системе металлических частиц с учетом интерференционных эффектов. Данная модель хорошо описывает экспериментальные спектры малоуглового рентгеновского рассеяния в ианокомпозитах с содержанием металла выше 10 об. %

2. Впервые проведен расчет энергии кулоновского взаимодействия в плотной системе металлических гранул с учетом их взаимной поляризации. Установлена зависимость средней величины и дисперсии зарядовой энергии от объемной концентрации металлической фазы.

3. С помощью численного моделирования прыжкового транспорта методом Монте-Карло обнаружена возможность эффективной модуляции проводимости тонких пленок панокомпозитов металл-диэлектрик внешним электрическим полем (эффект поля). Исследованы зависимости глубины модуляции проводимости от параметров папокомпозитной плёнки и найдены условия, при которых такая модуляции может быть эффективной.

4. Предложена новая модель для анализа электрических свойств поликристаллических полупроводниковых материалов с инверсно-легированными границами зёрен, в которой структура поликристаллического полупроводника представлена в виде случайной трёхмерной сетки Вороного и транспорт носителей на каждой межхёренной границе описывается в рамках одномерной диффузионно-дрейфовой модели. С помощью этой модели установлены зависимости параметров вольт-амперных и вольт-фарадных характеристик полупроводниковой поликристаллической структуры от легирования межзе-ренных границ, характера расположения зёрен.

5. Разработана двумерная диффузионно-дрейфовая модель зарядового транспорта в полупроводниковых поликристаллических материалах с субмикронными размерами зерен. С помощью данной модели впервые получена зависимость вольт-амперной характеристики и удельной емкости поликристаллического материала от среднего размера зёрен и количественно рассчитан эффект подавления электрической-емкости при уменьшении среднего размера зёрен.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Разработана методика, позволяющая с высокой точностью определять параметры структуры металл-диэлектрических нанокомпозитов (средний размер, дисперсию, степень упорядочения структуры) в широком диапазоне объемных концентраций частиц на основе анализа экспериментальных спектров малоуглового рентгеновского рассеяния.

2. Показано, что на основе тонких пленок нанокомпозитов могут быть созданы новые быстродействующие полевые транзисторы, в которых высокая эффективность модуляции тока достигается за счёт эффекта ноля при температурах вплоть до 300 К.

3. Разработаны численные модели для расчета электрических характеристик поликристаллических полупроводников с инверсно-легированными границами зёрен. Эти модели могут примененяться для расчета и оптимизации электрических свойств микроэлектронных устройств на основе поликристаллических материалов, а также для расчета интегральных схем пассивных элементов (резистор-варистор-емкость), устройствах оперативной памяти на основе поликристаллических керамических материалов.

На защиту выносятся следующие основные научные положения:

• В нанокомпозитах металл-диэлектрик, содержащих зародыши металлической фазы, распределение металлических частиц по размерам описывается

-нормальным законом. В нанокомпозитах Си : 5г02, полученных методом магнетронного сораспыления, в диапазоне концентраций металлической фазы 10-30 %, средний радиус частиц составляет 1.5 ± 0.1 нм, а логарифмическая дисперсия 0.2 ± 0.025.

В нанокомпозитах металл-диэлектрик имеется сильная зависимость величины зарядовой энергии металлических частиц от концентрации металлической фазы. При увеличении объемной концентрации металлической фазы от 5% до 20% средняя величина зарядовой энергии частиц уменьшается в 1.5 раза.

Электрическая проводимость тонких пленок нанокомпозитов металл-диэлектрик увеличивается при приложении поперечного электрического ноля (эффект поля). В пленках, состоящих из одного слоя металлических нано-частиц диаметром 1.5 нм, глубина модуляции проводимости при комнатной температуре составляет более 3-х порядков при условии малой величины случайного потенциала в структуре.

В поликристаллическом полупроводнике с инверсно-легированными границами зерен электрические характеристики, такие как порог проводимости по напряжению, электрическая емкость и частотная зависимость проводимости, меняются в широких пределах при малом изменении концентрации легирующей примеси на границе, а также зависят от степени упорядоченности поликристаллической структуры.

В поликристаллическом полупроводнике уменьшение размеров зёрен приводит к росту порогового напряжения и уменьшению электрической емкости. Эффект становится значительным для материалов со средними размерами зёрен менее 5с1 (ё-ширина обедненного слоя с одной стороны от границы).

Этот эффект адекватно описывается двумерной диффузионно-дрейфовой моделью.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на 4-й и 7-й международных конференциях "Nanostructure: Physics and Technology", С.-Петербург, 1998,2001 гг., на международной конференции "International Conference on Physics of Semiconductors", Эдинбург, 2002г, на Зимней Школе по физике полупроводников 2001,2003 гг., а также на научных семинарах лаборатории полупроводниковой квантовой электроники ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН.

Исследования в данном направлении были поддержаны Российским Фондом Фундаментальных Исследований (грант РФФИ N98-02-18210), Программой "Физика Твердотельных Наноструктур"МН РФ (гранты 97-2014 и 97-1035), а также персональными грантами Конкурсного Центра Фундаментального Естествознания г. С.-Петербурга.

Публикации. По результатам исследований, выполненных в диссертационной работе, опубликовано 13 научных работ, из них G-в реферируемых изданиях. Список работ приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, двух глав, заключения и списка цитированной литературы. Общий объем диссертации составляет 109 страниц, в том числе 74 страницы основного текста, 24 рисунков на 24 страницах и 2 таблицы. Список цитированной литературы включает в себя 52 наименования и занимает 7 страниц.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Рожанский, Игорь Владимирович

Основные результаты диссертационной работы сводятся к следующему:

• Разработана численная модель структуры нанокомпозита и методика определения параметров распределения наногранул по размерам на основе прямого численного моделировании интенсивности малоуглового рентгеновского рассеяния. Установлено, что в металл-диэлектрических нанокомпозитах Си:ЗЮ2, полученных методом магнетронного сораспыления имеется нормальное распределение гранул по размерам, средний радиус составляет 1.5+-1 пш, а логарифмическая дисперсия 0.2+-0.025.

• Создана численная модель электрической проводимости в нанокомпозитном материале, основанная на расчете вероятностей туннелирования электронов и моделировании электронных прыжков методом Мопте-Карло. Модель учитывает наличие в структуре случайного потенциала, дисперсию размеров гранул, корреляцию в их расположении, а также отличие кулоновского взаимодействия гранул от взаимодействия точечных зарядов. С помощью разработанной модели проведен расчет полевого эффекта в тонких пленках нанокомпозита, установлен критерий эффективности модуляции продольной проводимости пленки поперечным электрическим полем.

• Разработана новая двумерная диффузионно-дрейфовая модель электронного переноса в поликристаллических керамических полупроводниках. Поликристаллический полупроводник представлен как система двойных барьеров Шоттки, возникающих на границах монокристаллических зёрен.

• Впервые проведен расчет вольт-амперной характеристики и электрической емкости поликристаллического керамического образца, в том числе содержащего монокристаллические зёрна субмикронных размеров. Показано, что при отношении ширины обедненной области к размеру зерна £ = 0.4 резко изменяется характер зависимости ВАХ и удельной емкости от числа межзе-ренных границ и происходит рост порогового напряжении.

• С помощью созданной двумерной модели теоретически установлены оптимальный размер зёрен и оптимальный уровень легирования межзеренных границ, необходимые для достижения максимальной электрической емкости образца.

Основные содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. S.A.Gurevich, V.M.Kuznetsov, V.M.Kozhevin, D.A.Yavsin, D.A.Zakheim, V.V.Khorenko, I.V.Rozhansky, "Fabrication and electrical properties of the monolayer of oxidized nanometer-size met allie granules", Proc. of Int. Syrnp. "Nanostructures: Physics and Technology", St.-Petersburg, p.344 (1998)

2. Д.А.Закгейм, И.В.Рожанский, С.А.Гуревич, "Электростатическая энергия неупорядоченной системы металлических гранул", Письма в ЖЭТФ, 70, стр. 100 (1999)

3. Д.А.Закгейм, И.В.Рожанский, И.П.Смирнова, С.А.Гуревич, "Температурная зависимость проводимости композитных пленок Си : SiÖ2 - эксперимент и численное моделирование", ЖЭТФ, 91, 553 (2000)

4. Д.А.Закгейм, И.В.Рожанский, "Моделирование электрической проводимости гранулированных металлов - мезоскопический и макроскопические режимы", Тезисы докладов итогового семинара по физике и астрономии по результатам конкурса грантов для молодых ученых С.-Петербурга, стр. 13 (1999) . •

5. И.В.Рожанский, Д.А.Закгейм, Т.Н.Василевская, С.А.Гуревич, "Анализ структуры композитных металл-диэлектрических материалов методом малоуглового рентгеновского рассеяния", ФТТ, 43 (2001).

6. D.A. Zakheim, I.V. Rozhansky, S.A. Gurevich Monte-Carlo simulation of electron transport and field effect in granular métal nanostructures, Microelectronic Engineering, G9 (2003), G46-652

Автор выражает благодарность Сергею Александровичу Гуревичу за руководство и внимание уделяемое работе, Дмитрию Александровичу Закгейму за непосредственное участие в исследованиях, обсуждение результатов, Никите Сергеевичу Аверкиеву за обсуждение результатов, представленных в диссертационной работе, С.П.Воскобойникову за ценные консультации по вопросам численного моделирования, а также моим коллегам - сотрудникам лаборатории полупроводниковой квантовой электроники.

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Рожанский, Игорь Владимирович, 2004 год

1. W. Chen, H.Ahmed, K.Nakazoto, Appi. Phys. Lett, 66, 3383 (1995)

2. K.Likharev, "Single-Electronics: Correlated transfer of single electrons in ultrasmall junctions, arrays, and systems", Granular Narwelectronics, ed. l)y D. Ferry et al., Plenum, New-York, p.371 (1991)

3. T.Claeson, K.Likharev, "Single Electronics", Single Electroinc^. Scientific American, 266, p.80 (1992) 13.

4. K.K.Likharev, IEEE Trans.Magn., 23, 1142 (1987) 23(2), p.ll38 (1987)

5. N.J.Stone, H.Ahmed,"Silicon single electron memory cell", Appl. Phys. Lett., 73, 2134 (1998)

6. B.Abeles, P.Sheng, M.D.Coutts, Y.Arie, Adv. Physics, 24, 407 (1975)

7. P.Sheng, Philosophical Magazine B, 65, 357 (1992)

8. Zakheim D.A., Rozhansky I.V., Smirnova LP., Gurevich S.A., JEIT, 91, 553 (2000).

9. D.A. Zakheim, S.A. Gurevich, I.V. Rozhansky, LP. Smirnova, V.M. Kozhevin, D.A. Yavsin Surface Science, 532, 1187 (2003)

10. L.C.Shen, C.Liu, J.Korringa, K.J.Dunn J- of Appl. Phys.,

11. Д.А.Закгейм, И.В.Рожанский, А.Гуревич, Письма в ЖЭГФ, 70,100 (1999)

12. В.В.Батыгин, И.Н.Топтыгин, Сборник задач по электродинамике, М., Наука, 1970, 53.

13. T.Chui, G.Dcutscher, P.Lindenfeld, W.L.McLean, "Conduction in granular aluminum near the metal-insulator transition", Phys. Rev. B, 23 (11), p.G172 (1981)

14. S.Barzilai, Y.Goldstein, LBalberg, J.S.Helman, "Magnetic and transport properties of granular cobalt films", Phys. Rev. B, 23 (4), p.l809 (1981) 67, 7071 (1990).

15. D.A.Zakheim, I.V.Rozhansky,S.A.Gurevich, Nanotechnology, 14, 366 (2003)

16. N.Setter, R.Waser, Acta.mater. 48, 151 (2000)

17. N.Setter, J.Europ.Ceram Soc, 21, 1279 (2001)

18. R.Waser, R.Hagenbeck, Acta.mater. 48, 797 (2000)

19. К.М.Дощано1!,Ф7^Я, 32, 6 (1998)

20. Faruque M. Hossain, J. Nishii, S.Takagi, ./.Appl.Phys., 94, 7768 (2003)

21. H.-Y.Lee, J.-S.Kim, S.-J. Kang,/nterf. Sci., 8, 223 (2000)

22. LV. Rozhansky, D.A.Zakheim "Modeling of the electrical properties of polycrystalline semiconductor ceramics", Proc. of 26th International Confc^rcrnce on Physics of Semicondcutors (ICPS-26), P275 (2002)

23. L.M.Levinson. H.R.Philipp, Am.Ceram.Soc.Bull. 65, 639 (1986) /ir f^

24. G.E.Pike, Phys.Rev.B, 30, 795 (1984)

25. G.Blatter, F.Greuter, Phys.Rev.B, 34, 8555 (1986)

26. D.E.Kotecki et al., IBM J.Res.Develop, 3,1999

27. R.Hagenbeck,et al. Mater.Sci.Eng. B, B39, 179 (1996)

28. T.Holbing, R.Waser, J.Appl.Phys. 91, 3037 (2002)

29. M.Bartkowiak, G.D.Mahaii, Phys. Rev., B51, 10825 (1995)

30. I.V.Rozhansky, D.A. Zakheim, Modeling of the electrical properties of polycrystalline semiconductor ceramics, Int. Coiif, Physics of Semiconductors ICPS, Edinburgh (UK), 2002

31. M.Volmann, R.Waser, J.Electroceramics 1, 51 (1997)

32. T..Shimizu, N.Gotoh, N.Shinozaki,H.Okushi Appl.Surf.Sci 117/118, 400 (1997)

33. M.Kuwabara, H.Matsuda, Y.Ohba J.Mater.Sci. 34, 2635 (1999)

34. I.V.Rozhansky, D.A. Zakheim, Modeling of the electrical properties of polycrystalline semiconductor ceramics, Int.Conf. Applied Physics APHYS, Badajos, Spain, 2003 j51. В.Л.Вонч-Бруевич, Г.Калашииков, Физика полупроводников. М.:"Наука",1990

35. Т. А. Davis, UMFPACK Version 4.1 User Guide, http://www.ci.se.ufl.edu/research/sparse/umfpack/ (2003)

36. Р.П.Федоренко, Введение в вычислительную физику, М., 1994 0<.

37. Н.Н.Медведев, Метод Вороного-Делоне в исследовании структуры некрти- сталлических систем, Новосибирск, 2000