Исследование емкости контакта в структурах МДМ на основе хфлькогенидных стекол Текст научной статьи по специальности «Физика»

Кастро Р.А.1, Гуния Н.Ю.2 ©

'Доктор физико-математических наук, профессор кафедры физической электроники;

2аспирант кафедры физической электроники, Российский государственный педагогический университет им.А.И.Герцена,191186, Санкт-

Петербург, Россия

ИССЛЕДОВАНИЕ ЕМКОСТИ КОНТАКТА В СТРУКТУРАХ МДМ НА ОСНОВЕ

ХФЛЬКОГЕНИДНЫХ СТЕКОЛ

Аннотация

В работе получено теоретическое выражение для емкости контакта в структурах МДМ на основе халькогенидных стекол. Обнаружено, что частотная зависимость емкости имеет степенной характер, в то время как ее температурная зависимость подчиняется экспоненциальному закону. Данные закономерности объясняются существованием сложного спектра локализованных состояний, обусловленного неупорядоченностью структуры стекла.

Ключевые слова: емкость контакта, МДМ структура, плотность состояний Keywords: contact capacity, MIM structure, density of states

Введение. Халькогенидные стеклообразные полупроводники (ХСП) все больше привлекают внимание исследователей в связи с расширением области их использования в многочисленных устройствах микроэлектроники и оптоэлектроники. Так, в последнее десятилетие пристальный интерес вызывают работы по созданию устройств энергонезависимой фазовой памяти (Phase Change Memory или PCM), работающих на принципе обратимого фазового перехода «аморфное - кристаллическое состояние». Локальные структурные тра^формации в наноразмерном слое материала осуществляются за счет электрического импульса или импульса света. Одним из успешных примеров практического использования данного эффекта является создание оптических дисков формата DVD-RW. В настоящее время существует реальная возможность создания на их основе конкурентоспособных устройств, которые могут потеснить на рынке традиционную флэш-память.

За последние годы, значительный интерес вызывают исследования, связанные с изучением влияния различных факторов: температуры, облучения, введения примесей разного рода, на процессы диэлектрической релаксации и переноса заряда в аморфных пленках ХСП [13]. Это, по-видимому, связано с перспективами получения полупроводниковых материалов с p-и n- типом проводимости и, как следствие, конструирования p-n- переходов на их основе.

Целью данной работы явилось исследование емкости контакта в структурах металл-диэлектрик-металл (МДМ) на основе халькогенидных стекол, ее частотной и температурной зависимости.

Теория. Исследования показывают, что в МДМ структурах, перенос инжектированного заряда осуществляется не через зону проводимости, а при помощи локальных центров, обладающих сравнительно глубокими уровнями захвата свободных носителей [4-6], при этом на границе металла с диэлектриком образуется потенциальный барьер, обусловливающий накопление возле электрода объемного заряда, и перераспределение приложенного к системе напряжения. В результате этого, при условии, что ток утечки намного меньше полного тока I(t), наблюдаются уменьшение тока со временем по закону:

Т UCt

I =-k—r (1)

(t + t)2 к 4

и зависимость накопленного у электрода заряда от величины тока и времени накопления согласно выражению:

^ UCkt

Q = (UCt) (2)

© Кастро Р.А., Гуния Н.Ю., 2013 г.

где Ск - емкость контакта на границе металла с диэлектриком, U - приложенное напряжение, t -характеристическая постоянная времени, равная t = L3/mdkU, m - эффективная подвижность заряда, переносимого через запрещенную зону, dk - толщина, соответствующая емкости контакта, L - толщина слоя диэлектрика.

Выражение для мгновенного времени релаксационного процесса можно получить, используя выражение (1), из которого следует:

I (t + t)

Т мгн = (dI / dt) = 2 (3)

С другой стороны, при гиперболическом спаде тока поляризации Тмгн = t/n, где n - показатель степени, тогда характеристическая постоянная времени будет:

Г 2 J

t = t -- 1 (4)

n J

и с учетом уравнений (1), (4), можно получить выражение для емкости контакта как функция времени в виде:

C = ^Ц- = (5)

k U(2n- n2) U(2n- n2) W

что представляет собой эмпирическое выражение для временной зависимости емкости барьера Ск, из которого следует, что Ск ~ t1-n, здесь А - постоянная, зависящая для данной группы материалов, от температуры.

С учетом (5), частотная зависимость емкости контакта можно выразить как:

C 4 A(10 f)n-1 (6)

Ck = йё^2) (6) откуда вытекает, что барьерная емкость должна уменьшаться с частотой по закону Ck ~ fгде n-1< 0. Данный результат хорошо согласуется с полученными авторами [7,8] при измерениях на переменном токе, в области частот f = 10-3 Гц - 10-1 Гц, и означает ослабление роли емкости контакта в процессе поляризации при увеличении частоты поля.

Методика эксперимента. Кинетика токов ИТР регистрировалась с применением электрометрического усилителя, (диапазон измеряемых токов обеих полярностей составлял 10"15...10"7А), источника стабилизированного напряжения и двухкоординатного потенциометра. Ток, протекающий через Rs, усиливается усилителем постоянного тока (входящим в состав электрометра). В процессе измерений температура меняется в пределах Г=294...344 K. Напряжение поляризации составляет до 10.0 В для образцов разной конфигурации. Измерения токов I(t) проводились на пленках состава As2Se3 толщиной ~ 1.0 мкм, изготовленных методом термического испарения в вакууме. Образцы имели сандвич-конфигурацию с алюминиевыми электродами для образования МДМ структур.

Результаты и обсуждение. Определение значения емкости контакта для образцов As2Se3 и ее зависимости от температуры, проводилось с использованием кривых релаксации темнового тока I=I(t). На рис. 1 представлена частотная зависимость Ск для образцов данного состава при разных температурах. Вид кривых подтверждает полученную степенную зависимость вида Ск ~ fs, с показателем s = 0.12 - 0.16. Для семейства кривых, представленного на рис. 1, установлено, что показатель s зависит от температуры, и что его температурная зависимость удовлетворительно аппроксимируется линейной функцией s = AT, где А » 10-3 К-1 (рис. 2). Данное обстоятельство позволяет сделать вывод об экспоненциальном характере функции плотности состояний на протяжении ~ 0.38 эВ выше уровня Ферми ("хвост" зоны проводимости) [7].

/, Гц

Рис. 1. Частотная зависимость емкости контакта для As2Seз, при разных температурах спада тока

поляризации

0,92 -* 0,90 -0,88 -

290 300 310 320 330 Т, К

Рис. 2. Температурная зависимость параметра я для состава As2Seз.

Температурная зависимость Cfr для двух значений частоты поля представлена на рис. 3,

наблюдается экспоненциальная зависимость емкости барьера от температуры, аналогичная зависимость получена авторами [7].

Проведенные расчеты значения емкости барьера Cfr при разных условиях ее релаксации с частотой, указывают на правильность полученного теоретического соотношения (6). Предложенная методика позволяет, используя экспериментальные кривые релаксации Ц^, исследовать температурно-частотные зависимости емкости Cfr что имеет очень важное значение при изучении поляризационных процессов в халькогенидных стеклах при изготовлении технических систем и устройств для микро- и наноэлектроники.

Заключение. Таким образом, в работе получено теоретическое выражение для емкости контакта в структурах МДМ на основе халькогенидных стекол. Обнаружено, что частотная зависимость емкости имеет степенной характер, в то время как ее температурная зависимость подчиняется экспоненциальному закону. Данные закономерности объясняются существованием сложного спектра локализованных состояний, обусловленного неупорядоченностью структуры стекла.

103/(r,K)

Рис. 3. Температурная зависимость емкости контакта Ск для состава As2Se3. Частотаf : 1 - 10-3 Гц,

2 - 10-3 Гц.

Литература

1. Аванесян В.Т., Бордовский Г.А., Кастро Р.А. - Релаксационные темновые токи в стеклах системы As-Se // Физика и химия стекла. 2000. Т. 26. № 6. С. 369-373.

2. Bordovskii G.A. Kastro R.A. - Photoinduced changes in optical and contact properties of chalcogenide glasses // Optics and Spectroscopy. 2001. T. 90. № 6. Р. 884-886.

3. Кастро Р.А., Бордовский В.А., Грабко Г.И. - Исследование процессов переноса и накопления заряда в аморфных слоях As2Se3, полученных разными методами // Физика и химия стекла. 2009. Т. 35. № 1. С. 54-57.

4. Тимман Б.Л., Карпова А.П. - Экспериментальное изучение эстафетного механизма протекания тока в системе металл-диэлектрик-металл // Физика и техника полупроводников. 1973. Т. 7. № 2. С. 230235.

5. Тимман Б.Л., Карпова А.П. - Постоянство заряда в точках минимума темнового тока в высокоомных монокристаллах CdS // Физика твердого тела. 1970. Т. 12. № 5. С. 1554-1556.

6. Тимман Б.Л., Карпова А.П. - Эстафетный механизм переноса заряда в системе металл-диэлектрик-металл при инжекции носителей // Физика и техника полупроводников. 1973. Т. 7. № 2. С. 225-229.

7. Бордовский Г.А., Каничев М.Р. - Емкостная спектроскопия локализованных состояний в халькогенидных стеклообразных полупроводниках // Физика и техника полупроводников. 1990. Т. 24. № 3. С. 527-532.

8. Бордовский Г.А., Каничев М.Р., Любин В.М. - Емкостные характеристики барьера на границе Ме-ХСП // Физика и техника полупроводников. 1989. Т. 23. № 4. С. 616-620.