CC BY
194
Д. К. Никифоров, А. П. Коржавый, К. Г. Никифоров
ВЛИЯНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАНОСЛОЯ НА ЭМИССИОННЫЕ СВОЙСТВА СТРУКТУР М-ЛЬОэ И Ве-ВеО
Проведено компьютерное моделирование процессов инжекции и эмиссии электронов в наноструктурах Л1-Л120з и Ве-ВеО. Проанализированы вклады инжекционных токов Френкеля—Пула и туннельных токов Фаулера-Нордгейма в зависимости от приложенного электрического поля и толщины диэлектрического нанослоя.
Ключевые слова: компьютерное моделирование, эмиссия Фаулера— Нордгейма, Эффект Пула—Френкеля, диэлектрические нанослои.
D. Nikiforov, A. Korzhavyi, K. Nikiforov
DIELECTRIC NANOLAYER INFLUENCE ON EMITTING PROPERTIES OF AI-AI2O3 AND Be-BeO STRUCTURES
Computer simulation of the processes of injection and emission in the emitted AI-AI2O3 and Be-BeO nanostructures has been carried out. Injection Frenkel— Poole currents and tunnel Fowler—Nordheim ones have been analyzed in the conditions of various applied fields and dielectric layer thickness.
Key words: ramputer simulation, Fowler—Nordheim emission, Poole— Frenkel effect, dielectric nanolayers.
Контакты металл—диэлектрик широко используются в качестве компонента МДП-структуры во многих полупроводниковых приборах и интегральных схемах [8]. В то же время возможно их использование и в качестве эмитирующих структур. Так, широко применяются электронные устройства — вакуумные СВЧ-приборы, фотоэлектронные умножители и газоразрядные лазеры,
важнейшим элементом которых является эмиттер электронов — холодный катод [4; 12; 13]. В последние годы газоразрядные, в частности Не-Ые лазеры, являются основой для создания лазерных систем с большим функциональным спектром применения (хранение информации, средства навигации и локации, печатающие и сканирующие устройства и т. п.) [13]. В отличие от термокатодов, для обеспечения работы холодного источника электронов требуются не высокие температуры, а сильные электрические поля (~ 109 В/м) [12; 13].
Одно из важнейших требований, предъявляемых к эмиттерам газовых лазеров, — способность долговременно сохранять рабочие параметры при контакте эмитируюших поверхностей с газовой средой, для обеспечения чего используются оксидные пленки типа А1203 и ВеО [13]. Сочетание высоких температуры плавления, теплопроводности и диэлектрических параметров, характерное для оксидов алюминия и бериллия, по-прежнему оставляет их оптимальными материалами [13], несмотря на очевидные перспективы использования нитрида алюминия [6; 16].
В то же время подобные пленки не только выполняют конструктивную «защитную» функцию, но и являются активными элементами электронных структур. В качестве примера можно привести тонкопленочные гетерострукту-ры А120з-Б1 [23], многослойные наноструктуры Та205-А1203 [7] и БгТЮз-Се02-А1203 [21], металлические одноэлектронные транзисторы на А1(ЫЬ)-А1203-А1(ЫЬ) [1; 2], оптические элементы на основе Ве0 для лазерных систем средней ИК-области [28], детекторы СВЧ-излучения на основе Ве0 для термо-стимулированных экзоэмиссионных дозиметров [10; 11].
В настоящее время созданы высокоэффективные холодные оксидно-пленочные катоды [4; 12]. Их основными преимуществами являются низкий порог эмиссии, высокая плотность эмиссионного тока, стабильность работы, низкий уровень шумов, возможность работы в широком диапазоне вакуумных условий. Переход к тонкопленочным оксидным катодам позволяет обеспечить надежность, долговечность и миниатюризацию лазерных датчиков [13]. Однако в оксидных нанопленках практически отсутствуют объемные дефекты и поэтому должны осуществляться принципиально иные физические механизмы эмиссии электронов и деградации оксидных покрытий. В частности, в диэлектрическом слое возникают управляемые инжекционные и туннельно-эмиссионные токи и формируются эффекты, обусловленные сильным электрическим полем [19].
Так, Хикмотт исследовал структуры А1-А1203-Аи с толщиной диэлектрического слоя ~ 30 нм [25; 26] и обнаружил, что при напряжениях до ~ 15 В осуществляется механизм туннелирования Фаулера—Нордгейма, а высота потенциального барьера составляет 1,5 эВ. При толщине слоя диэлектрика 100 нм и напряжении 1 В плотность инжекционного тока была равна 8-10 А/м . Ли и другие авторы [27] исследовали свойства холодных катодов на основе нанослоя А1203, нанесенного на 1п-8п-оксиды (1Т0). Обнаружено, что добавление диэлектрического слоя толщиной до 11 нм существенно увеличивает эмиссионный ток. При поле, меньшем чем 2-107 В/м, главными механизмами формирования эмиссионных токов являются туннелирование по ловушкам и термоактивация Френкеля—Пула. В поле Е < 6-107 В/м осуществляется туннелирование носителей в вакуум по механизму Фаулера—Нордгейма с использованием ло-
вушек, а при E > 6-107 В/м эмиссионный механизм меняется от резонансного к прямому механизму Фаулера—Нордгейма.
По данным Симмонса и др. [5; 29], в структуре Be-BeO-Au при толщине слоя диэлектрика 20 нм и напряжении 10 В плотность эмиссионного тока достигала 2-10 А/м . При T < 300 К доминировала туннельная эмиссия Фаулера— Нордгейма, а при более высоких температурах — эмиссия по механизму Шоттки.
Как показывает анализ литературных данных, природа физических механизмов, обеспечивающих инжекцию и эмиссию носителей заряда и возможности управления ими в эмитирующих тонкопленочных структурах металл-оксид металла, практически не изучены.
Целью настоящей работы явилось проведение вычислительного эксперимента: компьютерное моделирование процессов формирования инжекцион-но-эмиссионных токов в нанопленочных структурах металл-оксид металла AI-AI2O3 и Be-BeO.
Вычислительный эксперимент проводился на основе системы Maple — самой надежной тестированной системы компьютерной математики, обеспечивающей высокую достоверность полученных результатов.
Для моделирования использовались следующие параметры: работа выхода ефт = 4,28 эВ (Al) 3,92 эВ (Be); электронное сродство Xd = 4,44 эВ (AI2O3) и 4,48 эВ (BeO); ширина запрещенной зоны Eg = 9,4 эВ (Al2O3) и 10,6 эВ (BeO); диэлектрическая проницаемость s = 8,0 (Al2O3) и 6,3 (BeO).
В связи с тем, что реальные диэлектрики содержат собственные структурные дефекты — кислородные вакансии (см., например, [3; 14; 15]), величина потенциального барьера фв для инжекции электронов из металла в зону проводимости диэлектрика (в сравнении с бездефектным диэлектриком) существенно понижается и составит 1,23 эВ и 1,90 эВ для исследуемых структур Al-Al2O3 и Be-BeO. Эти предположения подтверждаются экспериментальными данными [25; 30].
Результаты расчетов показывают, что оксидная нанопленка содержит электроны, инжектированные из металла и захватываемые ловушками, связанными с дефектами (анионными вакансиями) в диэлектрическом нанослое [19; 20].
В сильных электрических полях энергия активации ловушек уменьшается и возрастает вероятность освобождения электронов, захваченных ловушками, — возникают условия для термоэлектронной ионизации Френкеля—Пула [9].
Плотность инжекционного тока Френкеля—Пула j определяется как [9]:
1Ёё3
j = а0E eW55^ ,
где E — напряженность электрического поля, о0 — проводимость при отсутствии поля.
В реально используемых электрических полях все ловушки заполнены электронами [19; 20], и концентрация инжектированных электронов n будет равна [17]
NN -ET
n = V е ,
где Л и Ею — концентрация и глубина залегания ловушек при Е = 0.
В исследуемых структурах металл-оксид металла с диэлектрическим на-нослоем велика вероятность туннелирования через него электронов, причем она возрастает во внешнем электрическом поле за счет уменьшения высоты и толщины потенциального барьера [22]. В условиях сильных электрических полей за счет туннельного эффекта электроны могут покидать твердое тело, образуя ток автоэлектронной (или полевой, или туннельной) эмиссии [18].
В теории автоэлектронной эмиссии Фаулера—Нордгейма, построенной в рамках полуклассического метода Венцеля—Крамерса—Бриллюэна [22], форма потенциального барьера зависит от соотношения между приложенным электрическим полем и высотой потенциального барьера. При этом в случае трапецеидального потенциального барьера (Ей < фт) осуществляется прямое туннелиро-вание через диэлектрический слой, а при треугольном потенциальном барьере (Ей > фт) — туннельная эмиссия «горячих» электронов в зону проводимости диэлектрика. (В исследуемых наноструктурах А1-А120з и Ве-ВеО соответствующее напряжение «перехода» лежит в диапазоне нескольких вольт.)
С учетом сил электрического изображения плотность туннельного тока Фаулера—Нордгейма имеет вид
] =
Е2
8жИ фв
8лУ2ет (фд )3/2 п( у) " 3к Е У( У)
где $(у) — табулированная функция Нордгейма аргумента у = 1 -
Фв (Е )
Фв (0) :
учи-
тывающая понижение потенциального барьера в электрическом поле (эффект Шоттки) [18].
Компьютерное моделирование инжекционных токов Френкеля—Пула и туннельных токов Фаулера—Нордгейма было осуществлено с использованием вышеприведенных параметров исходных материалов. Расчетные зависимости плотности инжекционно-эмиссионных токов от толщины нанослоя оксида металла при различных значениях приложенного электрического поля представлены на рис. 1 и 2.
а) _ б)
40 50 ¡1 (нм)
40 50 с1 (нм)
Рис. 1. Зависимости плотности: 1 — тока Френкеля—Пула и 2 — тока Фаулера— Нордгейма в структуре А1-А1203 от толщины диэлектрического нанослоя при приложенном напряжении: а — 2 В и б — 5 В (Е = 2,46 эВ, Л = 1018 м-3)
Проведенный вычислительный эксперимент показывает, что инжекцион-ными токами Френкеля—Пула можно управлять, меняя положение мелких ловушек внутри запрещенной зоны оксида металла (и в меньшей степени — их концентрацию М), например, используя специальное легирование диэлектрического слоя. С другой стороны, это может привести к снижению потенциального барьера фв и значительному возрастанию коэффициента его прозрачности, а, следовательно, к увеличению плотности эмиссионного туннельного тока, ограничивающего возможные инжекционные токи внутри структуры металл-оксид металла.
Рис. 2. Зависимости плотности: 1 — тока Френкеля—Пула и 2 — тока Фаулера— Нордгейма в структуре Ве-ВеО от толщины диэлектрического нанослоя
при приложенном напряжении: а — 2 В и б — 5 В (Ех = 3,8 эВ, N = 1018 м-3)
* * *
Проведенный в работе вычислительный эксперимент показал, что в нано-пленочных структурах А1-А12О3 и Ве-ВеО доминирующими для формирования инжекционно-эмиссионных токов являются активационный механизм Френкеля—Пула и туннельный механизм Фаулера—Нордгейма, причем соотношение между ними определяется как свойствами диэлектрика (глубина залегания и концентрация электроактивных дефектов), так и величиной приложенного электрического поля.
При одинаковых значениях толщины диэлектрического слоя и приложенного напряжения инжекционный ток Френкеля—Пула больше по величине в структуре А1-А12О3, чем в Ве-ВеО, из-за меньшей величины глубины залегания ловушек Е^ При тех же условиях туннельные токи Фаулера—Нордгейма имеют большие значения в структурах А1-А12О3, чем в Ве-ВеО, из-за меньшей высоты потенциального барьера фВ.
Для обеих структур в малых электрических полях вклад механизма Фау-лера—Нордгейма в электронную эмиссию доминирует в случае тонких диэлектрических слоев, тогда как аналогичный вклад механизма Френкеля—Пула является основным при увеличении толщины оксидного слоя. В относительно больших электрических полях туннельные токи Фаулера—Нордгейма доминируют во всем диапазоне исследованных толщин нанослоя.
Следует отметить, что уменьшение толщины диэлектрического нанослоя, перспективное для формирования эффективных эмиссионных свойств изучен-
ных структур, в реальности (в условиях ионной бомбардировки) ограничено ~ 10 нм для А1-А120з и ~ 5 нм для Ве-ВеО. Это обусловлено процессами деградации как объема оксидного слоя, так и интерфейса металл-оксид металла под действием ионной бомбардировки при газовом разряде [24].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Абрамов И. И., Игнатенко С. А., Новик Е. Г. Характеристики многоостровковых одноэлектронных цепочек в зависимости от различных факторов // Физика и техника полупроводников. 2003. Т. 37. Вып. 10. С. 1231-1234.
2. Абрамов И. И., Новик Е. Г. Характеристики металлических одноэлектронных транзисторов на различных материалах // Физика и техника полупроводников. 2000. Т. 34. Вып. 8. С. 1014-1019.
3. Беляев Р. А. Окись бериллия. — М.: Атомиздат, 1980. — 224 с.
4. Дефекты и физические свойства многокомпонентных электронных материалов // К. Г. Никифоров, А. П. Коржавый, В. В. Горбачев и др. / Ред. К. Г. Никифоров. — Калуга: Изд-во КГПУ, 1999. С. 49-91.
5. Добрецов А. Н., Гомоюнова М. В. Эмиссионная электроника. — М.: Наука, 1966.
— 564 с.
6. Добрынин А., Казаков Н. П., Найда Г. А., Поддененский Е. Н., Райдин Е. Р., Соколов Е. В. Нитрид алюминия в электронной технике // Зарубежная электроника. 1989. № 4. С. 44-84.
7. Ежовский Ю. К., Клусевич А. И. Диэлектрические многослойные наноструктуры оксидов тантала и алюминия // Физика твердого тела. 2003. Т. 45. Вып. 11. С. 2099-2103.
8. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. — М.: Мир, 1984. Т. 1. — 456 с.
9. Као К., Хуанг В. Перенос электронов в твердых телах. — М.: Мир, 1984. — 326 с.
10. Кийко В. С., Макурин Ю. Н., Балакирев В. Ф. Состав и свойства промышленной керамики из оксида бериллия // Химическая технология. 2004. № 1. С. 7-9.
11. Кийко В. С., Софронов А. А., Макурин Ю. Н., Шабунин С. Н., Плетнева Е. Д., Ивановский А. Л. Применение керамики ВеО+ТЮ2 в различных областях техники и специального приборостроения // Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии: Материалы V Международной конференции. Кисловодск, 2005. — Ставрополь: СевКав-ГТУ, 2005. С. 34-35.
12. Киселев А. Б. Металлооксидные катоды электронных приборов. — М.: Изд-во МФТИ, 2002. — 240 с.
13. Коржавый А. П., Марин В. П., Сигов А. С. Некоторые аспекты создания технологий и конструкций изделий квантовой электроники // Наукоемкие технологии. 2002. Т. 3. № 4. С. 20-31.
14. Кортов В. С., Мильман И. И., Никифоров С. В., Моисейкин Е. В., Овчинников М. М. Фототрансферная термолюминесценценция в анион-дефектных кристаллах а-А12О3 // Физика твердого тела. 2004. Т. 46. Вып. 12. С. 2143-2147.
15. Кортов В. С., Мильман И. И., Никифоров С. В., Пеленев В. Е. Механизм люминесценции ^-центров в анион-дефектных монокристаллах оксида алюминия // Физика твердого тела. 2003. Т. 45. Вып. 7. С. 1202-1208.
16. Костенко В. И., Серегин В. С., Грошкова Л. А., Василевич А. И. Перспективы использования высокотемпературной керамики из нитрида алюминия в космическом приборостроении // Вопросы миниатюризации в современном космическом приборостроении: Труды семинара ИКИ РАН. — Таруса, 2004. — С. 250-256.
17. Ламперт М., Марк П. Инжекционные токи в твердых телах. — М.: Мир, 1973. —
435 с.
18. Модинос А. Авто-, термо- и вторично-электронная эмиссионная спектроскопия.
— М.: Наука, 1990. — 320 с.
19. Никифоров Д. К. Эмитирующие тонкопленочные структуры Л1-Л120з и Be-BeO в условиях ионно-электронной бомбардировки: Автореф. дис. ... канд. физ.-мат. наук. — М., 2006.
20. Никифоров Д. К., Коржавый А. П., Никифоров К. Г. Вычислительный эксперимент в наноструктурах Be-BeO: процессы переноса в рамках модели ТОПЗ // Вестник Калужского университета. 2007. № 2. С. 3-8.
21. Прудан А. М., Гольман Е. К., Козырев А. Б., Кютт Р. Н., Логинов В. Е. Свойства титаната стронция в многослойной структуре SrTi03/Ce02/ Л1203 // Физика твердого тела. 1997. Т. 39. Вып. 6. С. 1024-1029.
22. Туннельные явления в твердых телах / Ред. Э. Бурштейн, С. Лундквист. — М.: Мир, 1973. — 367 с.
23. Шулаков А. С., Брайко А. П., Букин С. В., Дрозд В. Е. Свойства межфазовой границы A1203/Si // Физика твердого тела. 2004. Т. 46. Вып. 10. С. 1868-1872.
24. Bondarenko G. G., Korzhavyi A. P., Nikiforov D. K. Modification of the emitting metal-metal oxide nanostructures under ionic bombardment // Perspective Materials. 2007. Vol. 1. P. 224-225.
25. Hickmott T. W. Polarization and Fowler—Nordheim Tunneling in Anodized Al-Al203-Au Diodes // J. Appl. Phys. 2000. Vol. 87. № 11. P. 7903-7912.
26. Hickmott T. W. Voltage-dependent dielectric breakdown and voltage-controlled negative resistance in anodized Al-Al203-Au // J. Appl. Phys. 2000. Vol. 88. № 5. P. 2805-2812.
27. Lee M. B., Hahm S. H., Lee J. H., Song Y. H. Emission behavior of nm-thick Al203 film-based planar cold cathodes for electronic cooling // Appl. Phys. Lett. 2005. Vol. 86. № 12. P. 123511-123513.
28. Makarenko S., Sekirin I. Control of reflectance spectrum of Be0 ceramics surface // Int. Symp. Molecular Spectroscopy Abstr. Columbus. 0hio, US. 1997. P. RG103.
29. Simmons J. G., Unterkofler G. H., Allen W. W. Temperature characteristics of Be0 tunneling structures // Appl. Phys. Lett. 1963. Vol. 2. № 4. P. 78-80.
30. SpechtM., StadeleM., Jakschik S., Schroder U. Transport mechanisms in atomic-layer-deposited Al203 dielectrics // Appl. Phys. Lett. 2004. Vol. 84. № 3. P. 3076-3078.
