CC BY
30
ТЕХНОЛОГИЯ СОЗДАНИЯ КРЕМНИЕВОГО КОМПОЗИТА С АКТИВНЫМИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ
Е.В. Овечкина
Целью настоящей работы является создание кремниевого композита с активными диэлектрическими свойствами, совместимого с существующей кремниевой технологией в микроэлектронике.
Растущие потребности новой приборной техники придают актуальность разработке высокоэффективных сегнеэлектрических материалов и совершенствованию технологий их производства. Обе эти задачи непосредственно связаны с успехами в решении фундаментальной проблемы материаловедения сегнетоэлектриков - определения закономерностей формирования физических свойств сегнетоэлектрических материалов и возможностей управления этими свойствами с помощью внешних воздействий. Среди таких свойств в последние годы стали актуальными электрооптический эффект, большая анизотропия пьезоэффекта, электронная эмиссия под воздействием электрических полей и др.[1]
Необходимо было создать композит на основе термически окисленного микропорошка кремния и сегнетоэлектрика. В данном случае в качестве сегнетоэлектрика был взят титанат бария. Полученный композит должен быть призрачен в ближнем (1,2-3мкм) и среднем (3-5,5 мкм) инфракрасном излучении. Этот композит будет входить в состав пироэлектрического датчика инфракрасного излучения, совместимого с существующей толстопленочной технологией. Под активными диэлектрическими свойствами подразумевается наличие хорошо выраженных пироэлектрических свойств и целенаправленно уменьшенных пьезосвойств.
В технологии был использован микропорошок кремния, полученный в процессе измельчения в шаровой мельнице, и порошок титаната бария, полученный из металло-рганических соединений с помощью газотранспортных реакций в кварцевом реакторе. Микропорошки для получения более мелких фракций частиц отмучивались в деиони-зованной воде. Для кремния мы получаем 4 вида суспензии с разной фракцией размера частиц порошка. Также получены суспензии трех видов с разным процентным содержанием сегнетоэлектрика. Далее происходит стандартная подготовка пластин к процессу окисления - очистка от существующих загрязнений (атомарных, жировых, механических, органических).
Полученная суспензия наносится на пластины микродозатором, так как размер образцов для электронного микроскопа не должен превышать 4 мм. Заключительный процесс в данной технологиии - это процесс окисления пластин в диффузионной печи при температуре 900 °С в течение одного часа на атмосфере. Пластины загружались уже в разогретую печь и вынимались сразу по истечении времени окисления. Полностью технология получения образцов представлена на рис.1.
С полученных структур были сняты статические (рис. 2) и динамические (рис. 2, 3) вольт-амперные характеристики (ВАХ). В данной работе представлены статические ВАХ для образцов, где в суспензии присутствует только микропорошок кремния с разной фракцией частиц (образец №1 - размер 1,4 мкм, образец №2 - размер 1 мкм, образец №3 - размер 0,5 мкм, образец №4 - 0,15 мкм).
При уменьшении размера частиц исходного микропорошка кремния происходит трансформация формы частиц. Нельзя считать, что преобладающая форма частиц - шарообразная. По данным проведенных микроскопических исследований, форма частиц приближается к игольчатой. На поверхности микрочастиц кремния неправильной формы присутствуют острые углы. В связи с этим с уменьшением размера частиц происхо-
дит резкое увеличение локальной напряженности поля вблизи острий (углов), т.е. ток начинает увеличиваться при разном приложенном напряжении [2-4].
Блок -схема технологического процесса получения кремниевого нанокмпозита с активны ми диэлектрическими свойствами .
1. Получение мелкодисперсного порошка... для суспензий разного состава
процесс измельчения Б в шаровой мельнице 4 0 часов
суспензия Б1
1. 17 0 часов
2. 290 часов
3. 700 часов
4. 950 часов
V
2 . Процесс отмучивания полученных порошков в деионизованной воде
V
3 . Получение суспензии разного состава
суспензия Б 1. самый крупный размер частицы (1.4 мкм ) 2 . '
4. самый маленький размер частицы (0.15 мкм )
I
суспензия Б1+БаТ1о3 1. 288 часов
суспензия Б1+БаТЮ3
1 . 1 (Б ¡) / 1 (Б а Т ¡0 3 )
2 . 3 (Б ¡) / 1 (Б а Т ¡0 3 )
3 . 6 (Б ¡) / 1 (Б а Т ¡0 3 )
4 . Подготовка пластин р-типа к
процессу окисления (процесс очистки от различного вида загрязнений )
И
с у с , о з
5 . Нанесение суспензии на пластины м икродозатором
6 . Процесс окисления пластин с супензией 900 С в атмосфере при атм . давлении 1 час
(образцы помещались в разогретую печь вынимались сразу по истечении времени _окисления )_
Рис.1. Технология получения образцов
< г
/ 1
1
1 ...............................1. I (нА I (нА 3. | ,:нА, "4. I (нА
1 I и!
.................................... | / .............. .................................................................................................................. И»- , ,
Ю -40 -30 -20 -10 ^Г 0 10 20 30 40 50
У(Е)
Рис. 2. Статические ВАХ (образцы № 1-4)
Из приведенных кривых можно сделать вывод о том, что возможно изменение механизмов процесса токопереноса в композиционной структуре при изменении структурных свойств композита. В процессе уменьшения размеров частиц кремния (проводящие включения в матрице БЮ2) происходит качественное изменение механизма пе-
Б а Т ¡О 3
реноса носителей заряда с преобладающего туннельного транспорта (образец №1) на дисперсионный механизм токопереноса, ограничиваемого в той или иной степени захватом на ловушки, т. е. с уменьшением размера исходных частиц происходит увеличение числа ловушек в приповерхностной зоне границы раздела 8ь8Ю2.[5-7] Далее рассмотрим динамические ВАХ.
Рис. 3. Динамическая ВАХ (образец - микропорошок кремния)
прямой
ход
■ - ■ обратный ход
Рис. 4. Динамическая ВАХ (образец - микропорошок кремния + сегнетоэлектрик)
В соответствии со строением переходной области 8ь8Ю2 в ней присутствуют трехкоордированные атомы кремния, имеющие одну ненасыщенную связь. В окисном слое, полученном при относительно низкой температуре 900 °С окисленном на атмосфере, значительная часть недоокисленных связей 81 связывается фрагментами воды с образованием групп 81-ОН, концентрация которых равна 1021 см-3, что совпадает с литературными данными [8-10].
Сравнивая динамические ВАХ микропорошка кремния и микропорошка с сегне-тофазой, можно увидеть, что на образцах с микропорошком кремния имеется порядка 7 пиков острой формы, а на образцах, где присутствует сегнетоэлектрик, - около 5 пиков совершенно другой формы. Высота пика пропорциональна концентрации каждого вида дефектов, а ширина пика пропорциональна функции энергетического распределения [11]. Следовательно, количество видов дефектов вместе с концентрацией уменьшается, но растет ширина энергетического распределения каждого вида дефектов, т.е. происходит трансформация дефектов из одного сорта дефектов в другие [12, 13].
Если рассматривать образцы с сегнетофазой, то самое маленькое число пиков имеет место там, где меньше всего процентное содержание сегнетоэлектрика. Число пиков возрастает вместе с концентрацией сегнетоэлектрика в суспензии. Это говорит о том, что титанат бария трансформирует ловушки приповерхностной области SiO2, а с увеличением концентрации сегнетоэлектрика образуются новые дефекты (ловушки), образуемые уже самим титанатом бария [14, 15].
При термическом окислении микропорошка кремний-сегнетоэлектрик происходит частичная компенсация образующихся дефектов SiO2 и образование новых дефектов BaTiO3, которые проявляются в наличии гистерезиса.
Заключение
На основе существующей микропорошковой технологии удалось показать возможность создания композиционного материала с наличием пироэлектрических свойств.
Для оценки возможностей работы в качестве инфракрасного датчика оценены транспортные свойства материала [16].
Проведены исследования структурных свойств с помощью электронной микроскопии. Проведена оценка степени окисления микропорошка кремния при создании композиционного материала [17].
Была оптимизирована технология получения микропорошка кремния с различным размером частиц.
Литература
1. Реньян В.Р. Технология полупроводникового кремния. М.: Металлургия, 1969. 335 с.
2. Мильвидский М.Г., Чалдышев В.В. Наноразмерные атомные кластеры в полупроводниках - новый подход к формированию свойств материалов. // Физика и техника полупроводников (ФТП). 1998. №5. С. 513.
3. Алферов Ж.И. История и будущее полупроводниковых гетероструктур. // ФТП. 1998. №1. С. 3.
4. Гусев А.И., Ремпель А.А. Нанокристаллические материалы. М.: Физматлит, 2001, 221 с.
5. Суздалев И.П. Нанокластеры и нанокластерные системы. 2003. http://www.rffi.ru/default.asp
6. Кашкаров П.К. Необычные свойства пористого кремния. 2001. http://www.pereplet.ru/obrazovanie/stsoros/1159.html
7. Качурин Г.А., Яновская С.Г., Володин В.А., Кеслер В.Г., Лейер А.Ф. О формировании нанокристаллов кремния при отжиге слоев SiO2, имплантированных ионами Si. // ФТП. 2002. №6. С. 685.
8. Лейер А.Ф., Сафронов Л.Н., Качурин Г.А. Моделирование формирования нанопре-ципитатов в SiO2, содержащем избыточный кремний. // ФТП. 1999. №4. С. 389.
9. Драгунов В.П., Неизвестный И.Г, Гридчин В.А. Основы наноэлектроники, Новосибирск, 2000.
10. Наноструктуры, ПерсТ. Вып. 24. 2003. http://perst.isssph.kiae.ru/Inform/tem/NANO/98-99ZNANO.htm
11. Зимон А. Д. Адгезия пыли и порошков. М.: Химия, 1976. 431 с.
12. Барабан А.П., Булавинов В.В., Коноров П.П. Электроника слоев 81О2 на кремнии. Л.: Изд-во ЛГУ, 1988. 303 с.
13. Материалы седьмой зимней школы по физике полупроводников (27 февраля - 10 марта 1975 г.). ЛИЯФ, 1975. 566 с.
14. Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов. М.: Энергия, 1973. 328 с
15. Гороховатский Ю. А. Основы термодеполяризационного анализа. М.: Наука, 1981. 173 с.
16. Томашпольский Ю.А Сегнетоэлектрические пленки сложных окислов металлов. М.: Металлургия, 1978. 140 с.
17. Гориш А.В. Физика сегнеэлктрической керамики. Москва, 1999. 110 с.
