Екстремальні струми в напівпровідникових структурах - Автореферат

Дослідження проводились на плівках кремнію структур “кремній на ізоляторі“ (КНІ) та плівках легованого оловом оксиду індію на ізолюючих підкладинках різного типу. В роботі наведено результати досліджень ефектів, пов‘язаних з протіканням струмів великої густини в кремнієвих плівках структур КНІ та в плівках легованого оловом оксиду індію. Крім того, в плівках легованого оловом оксиду індію досліджені механізм розсіювання носіїв заряду та зміна структури плівки, які становлять самостійний інтерес. Метою роботи було дослідження протікання струму великої густини через кремнієві плівки структур КНІ та плівки легованого оловом оксиду індію на різних підкладинках. У відповідності до поставленої мети ставились наступні задачі : Дослідити механізм виникнення осциляцій струму в кремнієвих плівках структур КНІ при протіканні в них струмів екстремальна великої густини (аж до таких її значень, при яких структура руйнується через її розігрів).Збільшення струму призводить до збільшення потужності, що розсіюється у плівці, та її температури. Це зменшення струму, яке відбувається, незважаючи на інтенсивний джоулів розігрів плівки, пояснено зменшенням концентрації термічно генерованих електронно-діркових пар дрейфом. При зменшенні струму також має місце додатній зворотний зв‘язок між струмом, що протікає в плівці, та її температурою. В рамках запропонованої якісної моделі були оцінені деякі характерні величини, а саме : час життя електронно-діркових пар, час охолодження кремнієвої плівки, її тепловий опір, швидкість зміни концентрації електронно-діркових пар в плівці термічною генерацією та-дрейфом. Показано, що зменшуючи час життя електронно-діркових пар, товщини плівок кремнію та оксиду кремнію, або використавши в якості ізолятора плівку з якомога більшою теплопровідністю (наприклад, алмазу), можна збільшити частоту коливань запропонованого генератора до частот НВЧ діапазону.Основні результати представленої дисертаційної роботи полягають у наступному : При протіканні струмів великої густини в кремнієвих плівках структур КНІ виникають осциляції струму великої амплітуди і частоти, взаємопов‘язані з осциляціями температури кристалічної грати і концентрацією електронно-діркової плазми. Протікання сталого струму великої густини в плівках легованого оловом оксиду індію викликає їх рекристалізацію внаслідок джоулевого розігріву. У плівках, нанесених на полімерні підкладинки, при цьому утворилися нитки, що складаються переважно з індію. При протіканні у плівках легованого оловом оксиду індію, нанесених на полімерні підкладинки, імпульсів струму відбувалось їх механічне руйнування. Ефект руйнування плівки легованого оловом оксиду індію на полімерній підкладинці дав можливість запропонувати плівковий запобіжник з високою швидкодією для гібридних інтегральних мікросхем.

Короткий зміст роботи

Основні результати представленої дисертаційної роботи полягають у наступному : При протіканні струмів великої густини в кремнієвих плівках структур КНІ виникають осциляції струму великої амплітуди і частоти, взаємопов‘язані з осциляціями температури кристалічної грати і концентрацією електронно-діркової плазми. При осциляціях струм змінювався від 300 МКА до 5 МА, температура грати - від 700 К до 1300 К, концентрація пар - від 1015 см-3 до 1018 см-3. Частота осциляцій перевищувала 3 МГЦ.

Запропоновано механізм виникнення коливань. Показано, що зростання струму пов‘язано з джоулевим розігрівом структури до температури власної провідності, а його зменшення - із зменшенням концентрації електронно-діркових пар дрейфом. Велика частота осциляцій зумовлена малими часами теплової дифузії крізь кремній і шар діелектрику, а також малим часом релаксації носіїв заряду.

Вперше в кремнії спостерігався зворотний амбіполярний дрейф електронно-діркових пар.

Протікання сталого струму великої густини в плівках легованого оловом оксиду індію викликає їх рекристалізацію внаслідок джоулевого розігріву. У плівках, нанесених на полімерні підкладинки, при цьому утворилися нитки, що складаються переважно з індію. Їх утворення подібне до утворення дендритів.

При протіканні у плівках легованого оловом оксиду індію, нанесених на полімерні підкладинки, імпульсів струму відбувалось їх механічне руйнування. Його пояснили невідповідністю коефіцієнтів теплового розширення плівки і підкладинки.

Ефект руйнування плівки легованого оловом оксиду індію на полімерній підкладинці дав можливість запропонувати плівковий запобіжник з високою швидкодією для гібридних інтегральних мікросхем. Він являє собою плівку легованого оловом оксиду індію на полімерній підкладинці. Час спрацьовування запобіжника не перевищує 10 мкс. це значення принаймні на три порядки менше, ніж у аналогічних вже існуючих приладів. Зміною вмісту кисню у плівках можна варіювати струм спрацьовування запобіжника від 10-1 МА до 102 МА .

5. Розсіювання носіїв заряду у плівках легованого оловом індію та оксиду індію відбувається переважно на заряджених центрах. Такими центрами при малому вмісті кисню у плівці є іони олова та кисню, а в плівці з великим вмістом кисню - лише іони олова, але кисень також впливає на рухливість електронів, змінюючи їх концентрацію і енергію Фермі.

6. Зміна структури плівок легованого оловом оксиду індію із збільшенням вмісту в них кисню відбувається стрибкоподібно. Встановлено, що при малому вмісті кисню в плівці існує лише близький порядок, і в межах близького порядку плівка має характерну для індію тетрагональну структуру. При великому вмісті кисню плівка є кристалічною з об‘ємноцентрованою кубічною структурою, що відповідає оксиду індію In2O3.

1. Добровольский В.Н., Павлюк С.П., Ищук Л.В. Домен сильного поля в инжектированной электронно-дырочной плазме германия // ФТП. - 1983. - т.17. - вып.11. - с.2079-2081.

2. Добровольский В.Н., Ищук Л.В., Павлюк С.П. О распределении температуры в неоднородно разогретом полупроводнике // УФЖ. - 1986. - Т.31. - №6. - С.930-932.

3. Демчишин А.В., Добровольский В.Н., Ищук Л.В., Нинидзе Г.К., Рекичинский В.Н., Стеценко В.В. Свойства прозрачных проводящих пленок легированного оловом оксида индия // Гелиотехника. - 1988. - №4. - С.52-55.

4. Добровольский В.Н., Ищук Л.В., Нинидзе Г.К. Рассеяние электронов в легированных оловом пленках индия и оксида индия // Изв. АН СССР, сер. ”Неорганические материалы”. - 1989. - Т.25. - № 8. - С.1321-1324.

5. Добровольский В.Н., Ищук Л.В., Нинидзе Г.К., Грабовский Ю.Е. Скачкообразное изменение структуры пленок легированного оловом индия при увеличении в них содержания кислорода // Изв. РАН, сер. ”Неорганические материалы”. - 1992. - Т.28. - № 5. - С.1114-1115.

6. Демчишин А.В., Добровольский В.Н., Ищук Л.В., Нинидзе Г.К., Рекичинский В.Н., Стеценко В.В. Электрофизические и оптические характеристики прозрачных проводящих пленок легированного оловом оксида индия // Труды 2 Всесоюзной конференции “Материаловедение халькогенидных и кислородосодержащих полупроводников”. - Т.1. - Черновцы. - 1986. - С.205.

7. Добровольский В.Н., Ищук Л.В., Нинидзе Г.К. Механизм рассеяния электронов в пленках легированного оловом оксида индия // Тезисы докладов 9-го Всесоюзного симпозиума “Электронные процессы на поверхности и в тонких слоях полупроводников”. - Ч.1. - Новосибирск. -1988. - С.145-146.

8. Добровольский В.Н., Ищук Л.В., Нинидзе Г.К. Необратимое изменение проводимости пленок легированного оловом оксида индия под действием импульсов тока // Тезисы докладов 4-й республиканской конференции “Физические проблемы МДП-интегральной электроники”. - Киев. - 1990. - С.77.

9. Добровольский В.Н., Ищук Л.В., Нинидзе Г.К., Стеценко В.В. структура пленок легированного оловом индия с различным содержанием кислорода // Тезисы докладов 1-й Всесоюзной научно-технической конференции “Актуальные проблемы технологии композиционных материалов”. - Ялта. - 1990. - С.195.

Іщук Л.В. Екстремальні струми в напівпровідникових структурах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10 - фізика напівпровідників та діелектриків. - Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, 2000.

Дисертація присвячена дослідженню ефектів, що виникають в напівпровідникових структурах при протіканні струмів екстремальна великої густини (аж до такої, що руйнує структуру через її розігрів).

При протіканні такого струму через кремнієві плівки структур “кремній на ізоляторі” (КНІ) спостерігались його осциляції з великою амплітудою і частотою. Під час осциляцій струм змінювався від 300 МКА до 5 МА, а частота досягала 3 МГЦ.

За допомогою запропонованого метода визначення температури показано, що осциляції струму взаємоповязані з осциляціями температури кристалічної грати і концентрації електронно-діркових пар. Температура під час осциляцій змінювалась від 700 К до 1300 К, а концентрація - від 1015 см-3 до 1018 см-3. Згідно із запропонованим механізмом виникнення осциляцій зростання струму зумовлено термічною генерацією електронно-діркових пар, а його зменшення - -дрейфом.

Вперше спостерігали в кремнії зворотний амбіполярний дрейф електронно-діркових пар.

Показано, що протікання постійного струму великої густини у плівках легованого оловом оксиду індію викликає необоротне зменшення їх провідності. Цей ефект пояснений рекристалізацією плівок при протіканні в них струму. У плівках, нанесених на полімерні підкладинки, при цьому утворились нитки, що складаються переважно з індію. Їх утворення подібне до утворення дендритів. напівпроводник плівка струм

При протіканні імпульсів струму в таких плівках відбувалось їх механічне руйнування через невідповідність коефіцієнтів теплового розширення плівки і підкладинки.

Показано, що розсіювання носіїв заряду у плівках легованого оловом оксиду індію відбувається переважно на заряджених центрах і встановлена природа таких центрів. Збільшення вмісту кисню в таких плівках призводило до стрибкоподібної зміни їх структури.

Ключові слова : екстремальні струми, структура “кремній на ізоляторі”, легований оловом оксид індію, плівки, осциляції струму, джоулів розігрів, електронно-діркові пари, -дрейф.

Ищук Л.В. Экстремальные токи в полупроводниковых структурах. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков. - Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко, Киев, 2000.

Диссертация посвящена исследованию протекания в полупроводниковых структурах токов экстремально большой плотности (вплоть до разрушающих структуру вследствие ее разогрева). В качестве объектов исследования использовались кремниевые пленки структур “кремний на изоляторе” (КНИ) и пленки легированного оловом оксида индия на различных изолирующих подложках.

При протекании импульсов тока экстремально большой плотности через кремниевые пленки структур КНИ наблюдались его осцилляции с большой амплитудой и частотой. Ток при осцилляциях изменялся от 300 МКА до 5 МА. Частота осцилляций превышала 3 МГЦ. При этом в пленках рассеивалась удельная мощность, превышающая 3 ГВТ/см3.

В работе предложен механизм возникновения осцилляций. Увеличение тока при осцилляциях связано с термической генерацией электронно-дырочных пар, а его уменьшение - с уменьшением концентрации пар дрейфом. Высокая частота осцилляций обусловлена малыми временами диффузии тепла через кремниевую (0,01 мкс) и оксидную (1 мкс) пленки и малым временем жизни носителей заряда (0,1 мкс).

С помощью предложенного метода определения температуры показано, что осцилляции тока в пленке взаимосвязаны с осцилляциями температуры и концентрации электронно-дырочных пар. При осцилляциях температура изменялась от 700 К до 1300 К, а концентрация пар - от 1015 см-3 до 1018 см-3.

Использование структур КНИ позволило наблюдать впервые в кремнии обратный амбиполярный дрейф электронно-дырочных пар.

Показано, что протекание постоянного тока большой плотности вызывает уменьшение со временем сопротивления пленок легированного оловом оксида индия. Наблюдаемый эффект объяснен рекристаллизацией пленок при протекании в них тока. В пленках, нанесенных на полимерные подложки, при этом образовались нити, состоящие преимущественно из индия. Их появление подобно возникновению дендритов.

Протекание в таких пленках, нанесенных на полимерные подложки, импульсов тока вызывало их механическое разрушение. Оно объяснено различием коэффициентов теплового расширения пленки и подложки.

Показано, что рассеяние электронов в пленках легированного оловом индия и оксида индия происходит преимущественно на заряженных центрах. Такими центрами при малом содержании кислорода в пленке являются атомы олова и кислорода, а при большом - атомы олова, а кислород влияет на подвижность, изменяя концентрацию электронов и их энергию Ферми.

Обнаружено, что при увеличении содержания кислорода происходит скачкообразное изменение структуры пленок легированного оловом оксида индия. Установлено, что при малом содержании кислорода в пленках существует только ближний порядок, и в пределах ближнего порядка пленка имеет характерную для индия тетрагональную структуру. При большом содержании кислорода пленка является кристаллической с объемноцентрованной кубической структурой, соответствующей оксиду индия In2O3.

Ключевые слова : экстремальные токи, структура “кремний на изоляторе”, легированный оловом оксид индия, пленки, осцилляции тока, джоулем разогрев, электронно-дырочные пары, -дрейф.

Ishchuk L.V. Extreme currents in semiconductor structures. - Manuscript.

Thesis for scientific degree of the candidate of physical and mathematical sciences on specialty 01.04.10 - physics of semiconductors and dielectrics. - National Taras Shevchenko University of Kyiv. - Kyiv, 2000.

The dissertation is devoted to investigation of extremely high density currents (up to those that destroy a structure due to the Joule heating) in semiconductor structures.

Such current flowing through the silicon films of the SOI structures causes current oscillations with high amplitude and high frequency. The current varied from 300 to 5 MA, while the oscillation frequency reached 3 MHZ.

Using the suggested method of temperature determination, it was shown that current oscillations are interrelated with oscillations of the lattice temperature and concentration of thermally generated pairs. The temperature varied between 700 K and 1300 K, while the variation of the pair concentration was from 1015 cm-3 to 1018 cm-3. In accordance with the suggested model, these oscillations become possible owing to two competing processes: the temperature dependent thermal generation of electron-hole pairs, and the pair concentration reduction caused by the b-drift.

For the first time the reversed ambipolar drift of electron-hole pairs was observed in silicon.

It was shown that extremely high density current irreversibly changes the indium-tin oxide (ITO) film conductivity due to the film recrystallization. The threads of indium similar to dendrites were observed in such films deposited on polymer substrates.

The current pulses cause the ITO film destruction due to the thermal expansion coefficient disparity of the film and substrate.

It was shown that the main scattering mechanism in the ITO films is the scattering on the charged impurities. The film crystalline structure undergoes the discontinuous jump when the oxygen content in ITO film is increased.

Key words : extreme currents, SOI structure, ITO, films, current oscillations, Joule heating, electron-hole pairs, -drift.

Размещено на .ru