Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ІМЕНІ ТАРАСА ШЕВЧЕНКА
КУЗНЕЦОВ ГЕННАДІЙ ВАСИЛЬОВИЧ
УДК 621.382; 539.379
НАДПРОВІДНІ ТА НЕНАДПРОВІДНІ КУПРАТНІ ОКСИДИ
В НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ
01.04.10 –фізика напівпровідників і діелектриків
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора фізико-математичних наук
Київ –
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в Київському національному
університеті імені Тараса Шевченка
Науковий консультант -
доктор фізико-математичних наук, професор,
академік АПН України
Третяк Олег Васильович,
Київський національний університет імені Тараса Шевченка,
перший проректор, завідувач кафедри
Офіційні опоненти:
доктор фізико-математичних наук, професор,
Пан Володимир Михайлович,
Інститут фізики металів НАН України, завідувач відділу
доктор фізико-математичних наук, професор,
Клюй Микола Іванович,
Інститут напівпровідників НАН України,
провідний науковий співробітник
доктор фізико-математичних наук, професор,
Жарких Юрій Серафимович,
Київський національний університет імені Тараса Шевченка, професор
Провідна установа:
Харкiвський національний унiверситет
iм. В.Н. Каразіна, м. Харків.
Захист відбудеться “ 27 ”_жовтня___2003 р. о 15_ годині на засіданні
спеціалізованої вченої ради Д 26.001.31 у Київському національному
університеті імені Тараса Шевченка (03022, м.Київ, проспект акад. Глушкова, 6)
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Київського національного
університету імені Тараса Шевченка (м.Київ, 01017, вул. Володимирська, 64)
Автореферат розісланий “ 23 ”__вересня__2003 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Шкавро А.Г.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Вирішення багатьох завдань сучасної твердотільної електроніки в значній мірі визначається можливостями розширення існуючої елементної бази за рахунок впровадження нових матеріалів і структур. В цьому розумінні значний науковий і практичний інтерес становить вивчення купратних металооксидів, що відзначаються широким діапазоном властивостей - від діелектричних до надпровідних.
Можливості застосування високотемпературних надпровідних купратних оксидів в сучасній електроніці значною мірою визначаються прогресом в вивченні поверхневих та контактних явищ. Накопичені результати свідчать про складність контактних явищ в гетероструктурах на основі високотемпературних надпровідників (ВТНП). Недостатність існуючих відомостей обумовлена різноманітністю і неоднозначністю процесів взаємодії на межі розподілу, труднощами теоретичного розгляду.
Надпровідні купратні металооксиди є одними з найбільш складних по структурі і складу неорганічних речовин. Характерними для оксидних ВТНП матеріалів є схильність до зміни структурної будови і хімічного складу, активна хімічна взаємодія на поверхні та межах розділу, значна залежність властивостей від зовнішніх факторів. Процеси розпаду надпровідної фази супроводжуються утворенням споріднених ненадпровідних купратних фаз та продуктів взаємодії з контактуючими матеріалами. Процеси деградації ВТНП є предметом численних досліджень, проте існує ціла низка нез΄ясованих питань, пов΄язаних з впливом процесу формування деградованого шару та його хімічного складу на електронні властивості границі розподілу, механізми переносу заряду і, як наслідок, на електрофізичні параметри приладу.
Значний науковий і практичний інтерес викликає дослідження властивостей гібридних контактних структур, компонентами яких є ВТНП і традиційні матеріали мікроелектроніки. Контактні структури з купратними металооксидами можуть мати один (контакти ВТНП - напівпровідник, ВТНП - метал, ВТНП –діелектрик - напівпровідник) або декілька активних контактів (різні типи гібридних ВТНП - напівпровідникових транзисторних структур). Основою розуміння роботи як одно- так і багатоконтактних приладів є визначення природи процесів, що відбуваються в окремо взятому контакті. Проведені теоретичні і експериментальні дослідження поки що не привели до розробки ефективних приладів на основі такого типу структур. Важливою стає проблема сумісності технології високотемпературних надпровідників з базовими процесами виробництва інтегральних схем та дискретних напівпровідникових приладів. Споріднені з ВТНП матеріалами ненадпровідні сполуки традиційно знаходять застосування в якості підкладок, захисних покриттів, буферних шарів, що обумовлено близькістю їх хімічного складу і кристалографічних параметрів з надпровідною фазою. Використання ненадпровідних фаз в комплексі з напівпровідниковими матеріалами дозволяє суттєво розширити область функціонування гетероструктур на основі купратних оксидів в нових нетрадиційних напрямках, зокрема в сенсорній мікроелектроніці. Детальне дослідження властивостей як оксидного матеріалу так і гетероструктури в цілому є необхідною умовою для подальшого прогнозування і оптимізації параметрів таких систем. Перспективним стає пошук нових факторів впливу і дослідження відповідних змін електрофізичних властивостей гетероструктури.
В проблемі використання купратних оксидів в контактних системах з напівпровідниками, металами, діелектриками можна виділити два основних аспекти: дослідження хімії або металургії межі розділу та електронних і електрофізичних властивостей контакту. Подальший розвиток фізичних та хімічних моделей границі поділу в гетеростуктурах з купратними металооксидами є актуальною науковою проблемою, без вирішення якої не можна переходити до їх широкого впровадження.
Викладене визначає актуальність теми роботи, що обумовлюється як потребами створення гібридних ВТНП-напівпровідникових приладів так і розширення області функціонування гетероструктур на основі купратних оксидів в нових нетрадиційних напрямках сучасної електроніки. Для цього потрібно розуміння контактних явищ та процесів в гетероструктурах різного типу; встановлення зв΄язків між структурно-хімічними властивостями межі поділу і електрофізичними параметрами гетеростуктури, визначення механізмів проходження заряду в залежності від властивостей структури та впливу зовнішніх факторів.
Зв`язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота відповідає основним науковим напрямкам діяльності кафедри напівпровідникової електроніки радіофізичного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка і виконувалася згідно планів наступних науково-дослідних робіт:
Дослідження фізичних властивостей і надійності приладів на основі контакту метал-напівпровідник. НДР КДУ №116/82. 1982-1985 рр.
Розробка фізичних основ технології виготовлення і надійності контактів метал - напівпровідних (кремній, арсенід галлію) з багатошаровою металізацією в великих і надвеликих ІС. НДР КДУ №101/86.1986-1990р.
Дослідження електрофізичних властивостей контактних структур на основі високотемпературних надпровідників. НДР КДУ №193. 1988-1990 рр.
Дослідження ролі глибоких центрів в ефекті взаємного впливу компонентів інтегральних схем на арсеніді галлію. НДР КДУ №125/88. 1988-1990 рр.
Дослідження електрофізичних властивостей межі розділу в контактних структурах метал - високотемпературний надпровідник. НДР КДУ №166/89. 1989-1990 рр.
Розробка і дослідження методів виготовлення кремнієвих багатошарових структур для перетворювачів енергії. НДР КДУ №130/90. 1990-1992 рр.
Дослідження властивостей меж розділу в контактних структурах на основі високотемпературних надпровідників. НДР КДУ №165. 1991-1993 рр.
Розробка технології створення транзисторних напівпровідник - надпровідних структур. НДР ДКНТП 05.44.12/013-94 комплексного проекту 04.01.06/001К-95. 1994-1995 рр.
Вивчення електронних та фотоелектричних процесів у багатошарових системах метал - напівпровідник та ВТНП - напівпровідник. НДР КДУ №823. 1994-1996 рр.
ВТНП напівпровідникові гетероструктури. НДР ДКНТП 09.01.01/008-94. 1994-1996 рр.
The elaboration of solar cells on the cheap grade crystalline silicon. NATO Linkage Grant HTECH.LG 940574, 1994-1996 рр.
Gas sensors based on porous silicon for environmental monitoring. NATO Linkage Grant HTECH.LG 961060. 1997-1999 рр.
Дослідження фізичних процесів в сенсорах на основі багатошарових контактних структур. НДР КДУ №97041. 1997-2000 рр.
Напівпровідникові газові сенсори для контролю забруднення навколишнього середовища. Держзамовлення Міністерства освіти і науки України № 8/8-99. 1999-2000 рр.
Дослідження генераційно-рекомбінаційних процесів та електронного транспорту в напівпровідниках та напівпровідникових структурах як основи для створення елементної бази новітніх засобів комплексної автоматизації та інформатизації. НДР КДУ №01БФ052-07. 000-2005 рр.
Автор був науковим керівником у проектах №№ 6, 7, 8, а у проектах №№ 1, 3, 4, 5, 10 виконував обов’язки відповідального виконавця.
Метою даної роботи було визначення природи контактних явищ в гетероструктурах з надпровідними і ненадпровідними купратними металооксидами, виявлення фізико-хімічних процесів визначаючих електрофізичні параметри таких структур і можливості їх застосування в сучасній електроніці. Для досягнення поставленої мети необхiдно було розв'язати такi основні наукові завдання:
з΄ясувати особливості утворення ненадпровідних фаз на поверхні та межах розділу ВТНП гетероструктур; визначити домінуючі механізми електропровідності в таких фазах;
визначити вплив надпровідності металу або напівпровідника на процеси електронного переносу в контактах метал - напівпровідник;
установити основні закономiрностi між фізико-хімічними перетвореннями на границі розділу і електрофізичними параметрами контактних структур ВТНП - метал, ВТНП - напівпровідник;
розробити методи твердофазного синтезу буферних шарів з необхідними структурно-хімічними та електрофізичними властивостями;
дослідити і оптимізувати параметри газочутливих гетероструктур купратний оксид –напівпровідник;
провести аналiз отриманих експериментальних даних і створити відповідні модельні уявлення для цілеспрямованого керування характеристиками контактних структур на основі купратних оксидів.
Для розв’язання цих задач використовувалися сучасні експериментальні методи дослідження поверхні та тонких шарів: Оже-електронна спектроскопія (ОЕС), рентгенівська фотоелектронна спектроскопія (РФЕС), скануюча електронна мiкроскопiя (SEM), електронна просвiчуюча мiкроскопiя (ПЕМ), скануюча тунельна мiкроскопiя (AFM, STM), рентгенiвський дифракцiйний аналiз, ІЧ-спектроскопія багатократного пропускання та відбивання-поглинання; а також електрофізичні методи досліджень контактних явищ: вольт-амперні (ВАХ) та вольт-фарадні (ВФХ) в широкому діапазоні частот, контактна різниця потенціалів (КРП), релаксаційна спектроскопія глибоких рівнів (РСГР), термостимульована деполяризація (ТСД), методи фізичного диференціювання. Комплексний характер досліджень із використанням сучасних експериментальних методів, проведення експериментів у автоматизованому режимі, комп`ютерна обробка результатів та їх аналіз на базі розроблених теоретичних моделей, відтворюваність експериментальних даних та їх узгодженість з теоретичними розрахунками забезпечували достовірність одержаних результатів.
Основним предметом досліджень були процеси формування межі розділу та електронного переносу в гетероструктурах купратний оксид –напівпровідник. В якості основних матеріалів для експериментальних досліджень використовували кремній, надпровідний купратний металооксид YBaCuO-х та споріднені з ним ненадпровідні сполуки: CuO, BaCuO, YBaCuO, BaSіO. При дослідженні газової чутливості поверхнево-бар´єрних структур використовувались проміжні шари як на основі купратних оксидів, так і SnО, SіО, поруватого кремнію,
Наукова новизна роботи полягає в отриманні й узагальненні нових наукових результатів:
Експериментально визначено вплив структури та хімічного складу на механізми електронного транспорту в ненадпровідних купратних фазах. Результати електричних і оптичних досліджень ненадпровідних купратних фаз знаходять роз'яснення в рамках моделі напівпровідників з малою рухливістю носіїв заряду типу поляронів.
Побудована теоретична модель проходження носіїв заряду в контакті надпровідник - напівпровідник з проміжним діелектричним шаром. Встановлені зв´язки між параметрами моделі та механізмами струмопроходження, отримані аналітичні вирази для визначення перерозподілу напруги та величини струму в контакті. Результатом інтерференції між падаючими й відбитими носіями є локалізація поблизу межі розділу проміжних електронно-діркових станів і збільшення диференційної провідності контакту.
Вперше побудована теоретична модель проходження носіїв заряду в контакті метал - надпровідний напівпровідник. Розраховані вольт-амперні характеристики для надбар´єрної, тунельної та термопольової компонент струму через контакт.
Визначено вплив типу металу та купратного оксиду на структуру і хімічний склад межі їх розділу та електричні властивості контакту. Розсіювання носіїв заряду на виникаючих структурних дефектах призводить до збільшення контактного опору в структурах метал-ВТНП. Зниження ефективної розмірності перколяційної сітки в області контакту дає інформацію про локальні електричні властивості межі розділу.
Зміна електрофізичних властивостей контактів метал-ВТНП під дією іонізуючого випромінювання визначається двома основними механізмами: утворенням структурних дефектів і радіаційною стимуляцією процесів взаємодії на межі розділу між контактуючими матеріалами. Основна причина дефектоутворення обумовлена іонізаційною дією γ-опромінення і розривом слабких зв΄язків в ланцюжках Cu-О.
Отримано експериментальне підтвердження моделі контакту ВТНП - напівпровідник, яка враховує роль проміжного шару та глибоких центрів. В структурах надпровідник –напівпровідник із глибокими центрами в області просторового заряду вклад тунельно-резонансних механізмів проходження носіїв заряду зростає при низьких температурах і може перевищувати термоелектронну й тунельну компоненти струму.
Досліджені методи твердофазного синтезу діелектричних силікатних шарів на кремнії. Один з основних продуктів взаємодії надпровідників типу 1:2:3 з кремнієм ортосилікат барію BaSiOмає добрі властивості антидифузійного бар'єру, що обумовлено близькістю структурних параметрів і хімічного складу.
Визначені взаємозв'язки між процесами хімічної взаємодії і емісійними характеристиками в системі оксид барію –кремній. Нанесення на поверхню кремнію тонких покриттів на основі оксидів барію обумовлює зменшення порогу електронної емісії і підвищення стабільності характеристик.
Експериментально вивчений вплив буферних силіцидних шарів з металевим типом провідності на електрофізичні властивості багатошарових контактних структур. Контактні властивості структури визначаються процесами взаємодії силіциду як з напівпровідником, так із надпровідним купратним оксидом.
З´ясовані механізми впливу адсорбції на електрофізичні характеристики контактів метал-кремній з проміжним шаром купратного оксиду. В залежності від морфології проміжного шару, каталітичних властивостей металу, полярності прикладеної напруги газову чутливість визначають як зміна електрофізичних властивостей плівки оксиду, так і зміна висоти потенційного бар΄єру.
Практичне значення одержаних результатів полягає у можливості використання розроблених у роботі фізичних механізмів та технологічних підходів при розробці та виготовленні гібридних ВТНП - напівпровідникових приладів та інших поверхнево-бар´єрних структур з тонкими оксидними шарами. Відзначимо наступні отримані результати:
встановлено механізми деградації поверхневого шару та меж розділу купратних оксидів, що дозволяє визначити напрямки технологічного пошуку методів покращення стабільності та харакатеристик гетероструктур на їх основі;
розроблено метод вирощування буферного силікатного шару в результаті твердофазової взаємодії попередньо нанесеного шару оксиду барію та кремнієвої підкладки;
виготовлені структури з тонким покриттям ВаО(Ва2SiО4)-Si, які працюють в режимі холодного катоду;
вдосконалено технологію приготування багатошарових структур з буферними силіцидними шарами;
створено ряд методів контролю впливу газового середовища на властивості поверхнево-бар´єрних структур (метод ємнісно-адсорбційної порометрії, аналіз детального ходу ВАХ методами фізичного диференціювання);
розроблені методи формування гетероструктур Ni-CuO-Si з різною структурою проміжного шару купратного оксиду. Гетероструктури Ni-CuO-Si дозволяють реалізувати подвійну функцію плівки CuO: мембрани для молекул газу і газочутливого елементу;
виготовлені газочутливі контактні структури з проміжним шаром купратного оксиду (ємнісний сенсор вологи, сенсор аміаку з каталітичним металом);
розроблені методи аналізу впливу адсорбції на властивості гетерофазних поверхнево-бар´єрних структур в залежності від типу газового середовища та хімічного складу проміжного шару.
Особистий внесок. В дисертації узагальнені результати досліджень, виконаних автором самостійно (2, 30, 32, 37, 40) та спільно зі співавторами (1, 3-29, 31, 33-36, 38-39, 41-44). У спільних роботах автору належить участь в постановці задач досліджень, проведенні експериментальних досліджень, інтерпретації та узагальненні отриманих результатів, написанні та оформленні статей, докладів та патентів. Автором особисто одержані експериментальні результати електричних вимірювань (1, 4, 11, 13, 15-16, 18, 20-22, 25-26, 30, 34, 36, 38-39, 42) та досліджень газочутливих параметрів (41, 43-44), проведені розрахунки електрофізичних характеристик поверхнево-бар´єрних структур (3, 5-6, 10, 43-44). Розробка технології і виготовлення оксидних плівок (20, 22, 24-26, 28, 36, 39, 43-44) та контактних структур (1, 6, 7, 10-11, 13, 15-16, 20-22, 24-25, 28-29, 31, 33, 35-36, 38-39, 41, 43-44) різного призначення, обгрунтування методик досліджень та розробка автоматизованих установок для вимірів електрофізичних характеристик (5, 17, 19) виконані також за безпосередньої участі автора. Більшість наведених у дисертації результатів особисто доповідалася автором на вітчизняних та міжнародних наукових конференціях.
Апробація роботи. Основні результати роботи доповідалися й обговорювалися на наступних конференціях: 8-й Всесоюзній конференції “Физика поверхностных явлений в полупроводниках”, (Київ, Україна, 1984); 10-й Всесоюзній конференції по фізиці напівпровідників (Мінськ, Білорусія, 1985); Всесоюзній конференції “Физика и применение контакта металл-полупроводник”, (Київ, Україна, 1987); 2-й Всесоюзній конференції по високотемпературній надпровідності (Київ, Україна, 1989); 7-й Міжнародній конференції “Conf. on microelectronics”(Мінськ, Білорусія, 1990); 8-й Міжнародній конференції “Conf. on Ternary and Multinary Compaund”(Кишинів, Молдова, 1990); Міжнародній конференції “Нigh-Tc superconductivity and tunneling phenomena”(Донецьк, Україна, 1992); 14-й та 15-й Міжнародних конференціях “Cryogenics Engineering and Cryogenics Materials”(Київ, Україна, 1992; Генуя, Італія, 1994)); 4-й Міжнародній конференції “Физика и технология тонких пленкок”(Івано-Франківськ, Україна, 1993); Міжнародній конференції “Physics in Ukraine”(Київ, Україна, 1993); 4-й Міжнародній конференції “Materials and Mechanisms Superconductivity High-Temperature Superconductors”(Гренобль, Франція, 1994); Міжнародних конференціях “Applied Superconductivity”(Бостон, США, 1994; Піттсбург, США, 1996; Берклі, США. 1998); Міжнародній конференції NATO ASI “Frontiers in Nanoscale Science of Micron/Submicron Devices”(Київ, Україна, 1995); 2-й Міжнародній конференції “Материаловедение высокотемпературных сверхпроводников”(Харків, Україна, 1995); Міжнародному семінарі “Int. Workshop on Superconductivity”(Мауі, США. 1995); 6-ій Міжнародній конференції “Applications of Surface and Interface Analysis” (Монтре, Швейцарія, 1995); Міжнародній конференції “MRS-95”(Бостон, США, 1995); Міжнародних конференціях “European Conf. оn Applied Superconductivity”(Едінбург, Великобританія, 1995; Барселона, Іспанія, 1999); 2-й та 3-й Міжнародних конференціях “Space Charge in Solid Dielectrics”(Антіб, Франція,1995; Тур, Франція, 1998); Міжнародній конференції "Euromembrane-97". (Твенте, Голландія, 1997); 3-й Російській конференції по фізиці напівпровідників (Москва, Росія, 1997); Міжнародній конференції “New Theories, Discoveries and Applications of Superconductors and Related Materials”(Луізіанна, США, 1998); Міжнародній конференції “Advanced materials”(Київ, Україна, 1999); Міжнародній конференції “E-MRS-98”(Страсбург, Франція, 1998); Міжнародній конференції “Рhysics and chеmistry of molecular and oxide superconductor”(Стокгольм, Швеція, 1999); Міжнародній конференції “Eurosensors-14” (Копенгаген, Данія, 2000); 198-й Міжнародній конференції “The Electrochemical Society” (Фенікс, США, 2000); Міжнародній конференції NATO ARW “Frontiers of nano-optoelectronic system: molecular-scale engineering and processes” (Київ, Україна, 2000); 12-й та 14-й Міжнародних конференціях "Thin films in electronics” (Харків, Україна, 2001; Харків, Україна, 2002); 3-ій Міжнародній конференції "Porous semiconductors –science and technology" (Тенеріфе, Іспанія, 2002); 1-й Українській конференції з фізики напівпровідників (Одеса, Україна, 2002);.
Публікації. Oсновні результати дисертації опубліковані в 44 наукових роботах: 30 статей (5 статей –одноосібні), 11 –в збірниках доповідей на міжнародних наукових конференціях. 3 –авторські свідоцтва та патенти.
Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, 6 розділів та загальних висновків. Її обсяг складає 278 сторінок машинописного тексту, враховуючи 115 рисунків та 10 таблиць. Список цитованої літератури містить 250 найменувань.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано актуальність вибраного напрямку досліджень, сформульовані основна мета та задачі роботи, викладено наукову новизну та практичне значення результатів досліджень, відображено особистий внесок автора, надано інформацію про апробацію результатів та наукові публікації за темою дисертації.
У першому розділі аналізується вибір об’єктів та методик дослідження, описані методи виготовлення експериментальних зразків. Наведені результати досліджень структурно-хімічних властивостей поверхні ВТНП матеріалів типу 1:2:3, процесів утворення та електрофізичні характеристики ненадпровідних купратних оксидних фаз.
Основними причинами існування ненадпровідних фаз в поверхневому шарі ВТНП купратних оксидів є термічний розпад надпровідної фази та хімічна взаємодія з газовими компонентами оточуючої атмосфери. В ВТНП кераміках зміни хімічного складу в першу чергу відбуваються на поверхні окремих гранул, товщина деградованого шару досягає 0,3-1,0 мкм в залежності від структури зразка. Для температурної залежності спектрів газовиділення характерною є наявність кількох максимумів: 100-300оС - десорбція поверхневих атомів, кількість яких є незначною; 300-450оС –виділення НО, кількість якої залежить від умов синтезу і термообробки зразка; 450-600оС –переважне виділення СО, що також залежить від умов синтезу і характеру термообробки; 500-650оС–виділення кисню з об΄єму зразка, 750-950оС –газовиділення, обумовлене розпадом оксидної сполуки.
В плівкових ВТНП структурах процеси взаємодифузії і фазоутворення стають помітними при низьких температурах (навіть при кімнатних), що обумовлено підвищеною активністю кисню та термодинамічною нерівновагою тонких ВТНП плівок. По результатам профільного Оже-аналізу в структурі плівок YBaCuO-х можна виділити три характерні концентраційні області: зовнішній збіднений киснем поверхневий шар, основний шар стехіометричного складу, проміжний шар плівка-підкладка.
Інтенсивність деградації поверхні при взаємодії з газовими компонентами атмосфери визначається їх концентрацією, температурою, часом витримки. Процес взаємодії ВТНП кераміки з водою має топохімічний характер і локалізується в найбільш реакційно-здатних місцях, зв΄язаних з дефектами структури. Деградація кераміки YВaCuO в парах HO супроводжується інтенсивною дифузією Ва до поверхні і Сu від поверхні по міжзеренним границям. Кінетика взаємодії характеризується трьома основними стадіями: хемосорбція; утворення ненадпровідних фаз на міжзеренних межах розділу - (Ba(OH), YBaCuO); розпад фази 1:2:3. Взаємодія з вуглекислим газом при кімнатній температурі здійснюється лише в присутності парів води. Адсорбція води забезпечує транспорт СОв об΄єм кераміки, причому його поглинання стає незворотним вже при кімнатній температурі. Карбонатні сполуки (в першу чергу ВаСО) утворюються на поверхні і границях зерен, процес карбонізації може продовжуватись і для проміжних купратних фаз.
Споріднені з надпровідною фазою YBaCuO-х купратні оксиди BaCuOта YВаСиО(на відміну від CuО) можна розглядати як хімічні сполуки змінного складу відносно кисню. Залежності питомого опору від кисневого індексу дають підставу для припущення про зв΄язок провідності купратів з кисневими станами, що мають енергії близькі до рівня Фермі. Якщо рівень Фермі знаходиться всередині О-зони, то стає можливою стрибкова провідність. Якщо рівень Фермі знаходиться поза цією зоною, то провідність має активаційний характер. Із-за наявності флуктуацій поріг рухливості не співпадає з дном дозволеної зони і знаходиться в хвості густини станів, що обумовлює значний розкид значень енергії активації Еа=0,02-0,3 еВ. В ІЧ-спектрах відбиття спостерігаються характерні особливості в діапазоні 580 см-1 і 650см-1, зумовлені коливаннями Сu-О-Сu зв'язків. Значення частот відповідних оптичних фононів співпадають з відомими даними для ВТНП типу 1:2:3 і практично не залежать від хімічного складу оксидної купратної фази. Очевидно, це обумовлено тим, що зміна складу не призводить до суттєвих змін міжатомних відстаней і характеру Cu-О зв'язків в оксидних сполуках на основі CuO.
Результати електричних і оптичних досліджень ненадпровідних купратних фаз знаходять роз'яснення в рамках моделі напівпровідників з малою рухливістю носіїв заряду (10-1-10-3 см/В.с). Наявність малорухливих носіїв типу поляронів визначає характер частотної залежності провідності при низьких температурах, де домінуючим є стрибковий механізм переносу носіїв заряду. Для поляронів великого радіусу дисперсія провідності для стрибкового механізму переносу носіїв заряду описується залежністю:
; (1)
де Еp=e/16prp - енергія полярону, r=2rp, R=2Rp, rp –радіус полярону, Rp - довжина поляронного стрибка при даній температурі Т, p-1=-1--1, ,–оптична та статична діелектрична проникливості, - параметр протяжності хвильової функції локалізованого стану. У випадку поляронного транспорту температурна залежність параметра s(T) характеризується наявністю мінімуму, положення якого визначається енергією зв'язку поляронних станів (рис.1). Розбіжність між експериментом і розрахунком в інтервалі високих температур обумовлена зростанням кількості центрів для тунельних переходів носіїв, що призводить до відхилень від використаного при отриманні (1) дипольного наближення і росту постійної складової провідності . Розрахована згідно (1) по величинам s(Т) і Т в точці мінімуму енергія полярону має значення: Ер=0,1-0,12 еВ (для CuO) та Ер=0,13-0,15 еВ (для YBaCuO-x).
у другому розділі проведено теоретичний аналіз впливу переходу в надпровідний стан одного з електродів (металу або напівпровідника) на процеси електронного переносу в контакті метал –напівпровідник з урахуванням реальної структури потенціального бар΄єру на межі їх розділу. При визначенні вольт-амперної характеристики враховувалась як тунельна, так і надбар´єрна складова струму, роль якої зростає в контактних структурах на основі надпровідних матеріалів з порівняно невисокою концентрацією носіїв заряду (вироджені напівпровідники, металооксидні високотемпературні надпровідники).
В наближеннях діодної теорії загальна кількість електронів, здатних перетинати межу розділу в контакті надпровідник - напівпровідник (рис.2) при Т<Тс визначається інтегруванням по всіх можливих енергіях (відрахунок енергії Е від дна зони провідності напівпровідника Ес=0):
(2) де Р(Е) - ймовірність проходження носіїв заряду через потенційний бар´єр, - надпровідна структура щільності станів в металі, , - функції розподілу Фермі в напівпровіднику та металі, відповідно, Gn=eANn(0)Nm(0) –провідність контакту в ненадпровідному стані, А=соnst –визначається геометрією межі розділу. При розрахунку ВАХ густини станів у напівпровіднику Ns(E) та ненадпровідному металі Nm(E-eV) можна вважати рівними своєму значенню на поверхні Фермі: Ns(E)=Ns(0) і Nm(E-eV)=Nm(0). Інші позначення (2) відповідають рис.2.
Одержані аналітичні вирази для термоелектронної і тунельної компоненти струму в залежності від інтервалу прикладеної до контакту зовнішньої напруги. В інтервалі напруги для надбар´єрного струму Ith через контакт надпровідник - напівпровідник:
(3)
де - постійна Річардсона для термоелектронної емісії, , - отриманий в ВКБ-наближенні коефіцієнт прозорості проміжного шару для надбар΄єрних електронів, V, V –відповідно, падіння напруги на проміжному шарі та напівпровіднику. Аналіз (3) показує, що в контакті метал - напівпровідник з проміжним діелектричним шаром перехід металу в надпровідний стан обумовлює зменшення струму термоелектронної емісіЇ в прямому напрямку і збільшення в зворотному. В інтервалі напруги еV>φb після обчислення інтегралу (2) отримаємо близьку до лінійної залежність:
(4)
Тунельна компонента струму через контакт надпровідник - напівпровідник визначається з урахуванням в інтегралі (2) енергетичної залежності ймовірності переходу носіїв заряду через область потенціального бар΄єру. В інтервалі напруги ступінь росту тунельного струму характеризується параметром нелінійності:
(5) де ). Для тунельної комполненти струму параметр нелінійності α зменшується при збільшенні товщини проміжного діелектричного шару і ступеню легування напівпровідника.
У випадку контакту метал - надпровідний напівпровідник (рис.3) для загальної кількості перетинаючих межу розділу електронів при температурах Т<Тс. можна записати:
(6)
У порівнянні зі звичайним контактом метал - напівпровідник модифікація моделі складається у використанні щільності станів для надпровідника ns(E) в об΄ємі напівпровідникового матеріалу при Т<Tc (в області просторового заряду вільні носії відсутні).
Результати розрахунку надбар´єрного струму в контакті метал –надпровідний напівпровідник при d=0 наведені на рис.4. Наявність енергетичної щілини 2Δ в густині станів напівпровідника обумовлює появу особливостей вольт-амперної характеристики в інтервалі напруги . Залежність відношення надбар´єрного струму в надпровідному і ненадпровідному стані Ith(S)/Ith(N) при напрузі еVmin=φbхарактеризується мінімумом, амплітуда якого зростає при збільшенні параметра Δ і зниженні температури. На залежність термоелектронного струму від зворотної напруги перехід напівпровідника у надпровідний стан впливає лише при виконанні умови . При цьому можливим стає ефект зворотного випрямлення (рис.4, кр.4).
Асиметричність вольт-амперної характеристики для тунельної компоненти струму визначається залежністю коефіцієнту прозорості області потенціального бар΄єру від прикладеної напруги. Зменшення концентрації носіїв заряду в об´ємі напівпровідника n призводить до зростання випростуючого ефекту.
Показано, що при достатньо високій концентрації глибоких центрів в області просторового заряду напівпровідника і низьких температурах суттєвою стає їх роль в тунельно-резонансному механізмі проходження носіїв заряду. В контактах надпровідник –напівпровідник залежність тунельно-резонансної компоненти струму від напруги характеризується наявністю максимуму та ділянки негативної диференційної провідності. Положення резонансного максимуму і його відповідність краю енергетичної щілини надпровідника регулюється параметрами φb, E, Еt.
У третьому розділі наведені результати експериментального дослідження механізмів переносу носіїв заряду в контактних структурах ВТНП –метал, досліджено вплив процесів формування межі розділу та зовнішніх факторів на електофізичні характеристики контактів (вплив типу контактуючого металу та неоднорідності контакту, вплив γ-опромінення).
Дані Оже-електронної та ІЧ-спектроскопії свідчать про змішування і хімічну взаємодію атомів металу і компонентів надпровідника в процесі нанесення металічної плівки на поверхнюYВaCuO. На утвореній межі розділу проходить дисоціація надпровідної сполуки з переважною дифузією кисню в метал і накопиченням катіонів (Ва) на межі розділу. Втрата кисню призводить до перебудови поверхневого шару від орторомбічної до тетрагональної фази з відповідною втратою надпровідних властивостей.
Контакти метал - ВТНП з хімічно неактивними металами (Аg, Au, Pd, Pt) характеризуються малими значеннями контактного опору 10-7-10-9 Ом.смі металічним характером його температурної залежності. В процесі виготовлення такі метали практично не утворюють окислів в поверхневому шарі ВТНП і відносно слабо впливають на його надпровідність. При відпалі вплив на властивості ВТНП визначається двома основними факторами: дифузією кисню і проникненням металу в об'єм ВТНП. В процесі дифузії Au утворює великі вкраплення в ВТНП матриці і має меншу проникність порівняно з Ag, у якого високі значення коефіцієнту дифузії обумовлені швидкою міграцією атомів срібла по поверхні пор і границям зерен.
Контакти метал - ВТНП з хімічно активними металами (Ті, Ni, Al та ін.) відрізняються більшими значеннями контактного опору та напівпровідниковим характером температурної залежності. Процеси взаємної дифузії металу та надпровідника ускладнюються процесами хімічної взаємодії і утворенням нових сполук. В умовах значної дефектностіі на межі розділу контактуючих матеріалів домінуючою стає роль прискореної дифузії по границям зерен і стоковим поверхням. Дифузія по міжзеренним границям супроводжується дифузією по поверхні розділу метал –вакуум або по перехідному шару на межі розділу метал-ВТНП.
Схема основних процесів взаємної реактивної дифузії надпровідника і металу при відпалі контактів Ті-YBaCuO показана на рис.5. Процеси масопереносу характеризуються багатостадійністю: дифузія Ва, потім Cu, накопичення дифузантів і їх окислення, проникнення Ва і Cu із меж розділу вглиб зерен металу. При температурі Т>400оС в плівку Ті проникають атоми Ва та Cu одночасно як по зернограничному так і об΄ємному механізмах, значення питомого опору при цьому зростає в кілька 5-10 разів. Процеси фазоутворення на зовнішній поверхні є додатковим до градієнту концентрацій рухаючою силою процесу масопереносу атомів матеріалу.
При переході ВТНП в стан надпровідності спостерігається стрибкоподібна зміна опору контактів метал-ВТНП (напилених, притискних). Ширина надпровідного переходу ΔТ в температурній залежності контактного опору Rk. перевищує відповідне значення ΔТ для об΄ємного резистивного переходу. Для контактів з хімічно неактивними металами при Т<<Тс на відміну від об΄ємного опору Rk≠0. В контактах з хімічно активним металом стрибок контактного опору здійснюється на фоні експоненційного зростання Rk при зниженні температури.
Отримані результати знаходять пояснення на основі уявлень про зміну опору в надпровідній перколяційній сітці. Перехід в надпровідний стан в перколяційній системі починається при утворенні джозефсонівських каналів проходження струму, що обумовлює близькість температур початку резистивного переходу в об΄ємі і контакті. Приконтактна область в перколяційній системі модулюється обмеженим числом джозефсонівських зв΄язків, що з΄єднують металічний електрод з об΄ємною сіткою. Зниження ефективної розмірності перколяційної сітки в області контакту і локалізація струму в вузьких контактних каналах призводить до руйнування джозефсонівських зв΄язків при значно меншій порівняно з об΄ємом густині струму. Стрибок контактного опору завершується при повному переході цього одномірного каналу в надпровідний стан, що обумовлює збільшення ширини переходу ΔТ. Температурна залежність Rk~ехр(Т-1) для високоомнихконтактів обумовлюється наявністю напівпровідникових послідовних включень в контактному каналі.
Ефективним методом модифікації електричних властивостей меж розділу в ВТНП гетероструктурах є γ-опромінення, що дозволяє в контрольованих умовах вводити найпростіші радіаційно-структурні дефекти - вакансії та міжвузлові атоми. На рис.6 наведені залежності нормованого контактного опору структур Ag-YВaCuО (кр.2) і Ti-YВaCuО (кр.3) та питомого опору плівки YВaCuО (кр.1) від дози γ-опромінення (Rс(0), ρ(0) –вихідні значення; Rс(Ф), ρ(Ф) –після опромінення). Підвищена дифузійна активність домішок і дефектів поблизу межі розділу обумовлює зменшення радіаційної стійкості. Тому при одних і тих же дозах γ-опромінення відносні зміни контактного опору значно перевищують відповідні зміни питомого опору об΄єму.
Зміна електрофізичних властивостей меж розділу під дією іонізуючого випромінювання визначається двома основними механізмами: створенням структурних порушень і стимуляцією фізико-хімічних процесів взаємодії на межі розділу між контактуючими матеріалами. Для другого механізму істотним фактором є природа і хімічна активність контактуючого металу, що є причиною більшого зростання контактного опору структур Ti-YВaCuО при збільшенні дози γ-опромінення.
В четвертому розділі досліджуються процеси утворення ненадпровідних фаз в системі ВТНП –кремній, визначаються домінуючі механізми переносу носіїв заряду в контактних структурах ВТНП –напівпровідник.
Морфологія і склад нанесеного шару суттєво змінюються в залежності від температури нагріву підкладки. Основні зміни хімічного складу відбуваються в перехідному шарі між плівкою та підкладкою, де спостерігається посилена зустрічна дифузія барію, кисню та кремнію. Переважним результатом хімічної взаємодії є утворення на межі розділу шару силікатів барію, товщина якого зростає з температурою і тривалістю відпалу. Інтенсивність хімічної взаємодії міді та ітрію з кремнієм є незначною. Аналіз хімічного складу продуктів міжфазової взаємодії показує, що в процесі висадження плівки YBaCuO барій та кисень найбільш інтенсивно реагують з кремнієвою підкладкою. Процес формування фаз на поверхні кремнію описується слідуючими реакціями:
2YBaCuO,5 + 3Si + 3O = YBaCuO + 5CuO + 3BaSiO (7)
YBaCuO,5 + 3Si + 3O = 2YBaCuO + 10CuO +3BaSiO (8)
Порушення стехіометричного складу основного шару ВТНП плівки супроводжується розпадом фази 1:2:3 з утворенням перехідних оксидних фаз (YBaCuO, BaCuO, CuO). Процеси розпаду надпровідної фази та силікатоутворення мають порівняно однакові швидкості і подальший ріст силікатного шару може здійснюватися за участю ненадпровідних фаз:
2YВаCuO + Si + O =3BaSiO + 2CuО (9)
2BaCuO + Si + O = BaSiO + 2CuО + YO (10)
Результати експериментального дослідження вольт-амперних і вольт-фарадних характеристик контактних структур плівка YBaCuO - кремній свідчать про суттєвий вплив глибоких центрів в області просторового заряду кремнію на процеси електронного переньтосу. Збільшення напруги призводить до зростання вірогідності переходу електронів в зону провідності напівпровідника у відповідності з ефектом Пула-Френкеля. Відхилення експериментальних залежностей від лінійної в координатах lnI - V,5 спостерігаються лише на початковому відрізку вольт-амперної характеристики, коли напруженість електричного поля є незначною F<10 В/см. Утворення протяжних дефектів в результаті процесів твердофазної взаємодії на межі розділу ВТНП плівка –кремній обумовлює суттєве зниження енергетичного бар΄єру ΔΕ при переході електрона з потенційної ями радіусом r в зону провідності напівпровідника. Такі дефекти мають значну область дії потенціалу і при розмірах r~10 нм та напруженості поля F~10 В/см зниження бар΄єру досягає значень ΔΕ=0,1еВ.
Із отриманих методами релаксаційної спектроскопії глибоких рівнів та термостимульованої деполяризації експериментальних даних можна зробити висновок, що в досліджених гетероструктурах перебудова енергетичного спектру глибоких центрів обумовлюється процесами дефектоутворення та формування сторонніх фаз на межі розділу. Це підтверджується співпаданням температур зміни фізико-хімічної структури межі розділу і перебудови відповідних спектрів. На межі розділу YВaCuO-кремній процеси силікатоутворення починаються вже при Т=500оС. Зміна температури формування обумовлює зміну структури макроскопічних включень силікатної фази в напівпровідниковій матриці і як наслідок зміну енергетичного спектру глибоких рівнів в приелектродній області. Об΄єм кремнію характеризується наявністю глибоких рівнів, спричинених присутністю комплексів домішкових атомів з об΄ємними дефектами.
На відміну від плівкових гетероструктур в невзаємодіючих притискних структурах YBaCuO - кремній спостерігаються типові для контактів метал-напівпровідник з бар΄єром Шотткі випростуючі характеритстики. Визначена по відсічці залежності С-2-V висота потенційного бар΄єру складала φb≈0,8еВ для контактів YBaCuO-nSi і φb≈0,5еВ для контактів YBaCuO-рSi.
У пятому розділі наведені результати досліджень твердофазних методів формування буферних діелектричних (силікатних) та металічних (силіцидних) шарів на кремнії, визначені електрофізичні характеристики гетероструктур з такими буферними шарами.
Дослідження систем Ва-Si, ВаО-Si, ВаО-SiО становить інтерес у зв'язку з перспективністю їх застосування при створенні буферних шарів і МДП-структур, польових емісійних катодів, омічних контактів, газочутливих структур. Ефективним матеріалом для буферних антидифузійних шарів в структурах ВТНП –кремній є ортосилікат барію ВаSiО, що забезпечується задовільною узгодженістю його кристалоструктурних параметрів з відповідними параметрами надпровідної плівки та кремнію та наявністю в його складі спільних елементів з плівкою (Ва,О) і з підкладкою (Si,O).
Розгляд термодинамічних властивостей системи ВаО-SіО дає змогу передбачити кінцевий результат процесу силікатоутворення (рис.7). Вплив кінетичних факторів (енергії активації, швидкості реакції) в силікатній системі не є лімітуючим для проходження можливих реакцій. Реакції силікатоутворення (1-5) характеризуються від'ємним значенням ΔGоt і є термодинамічно дозволеними. Склад фази з максимальною термодинамічною сталістю визначається співвідношенням вихідних оксидів барію та кремнію. Реакція (4) утворення ВаSiOє домінуючою при співвідношенні ВаО:SіО=2:1 і характеризується абсолютно найбільшим від'ємним значенням - ΔGоt .
На рис.8 наведені дані досліджень методами рентгенівської дифракції впливу температури ізотермічного відпалу структур ВаО-Sі в атмосфері кисню на процеси формування шару ортосилікату барію (t=1год.). При невисоких Твідп=400-500оС зародження силікатної фази відбувається переважно на структурних дефектах поверхні кремнію, силікатний шар є досить неоднорідним. В спектрах переважають рефлекси окислів ВаО, ВаО, SiО. При Твідп=700-800оС силікатоутворення активно проходить по всій поверхні кремнію, спостерігається часткова кристалізація силікатних фаз. При Твідп>800-850оС спостерігається розростання зерен, збільшення неоднорідності поверхні. В рентгенодифракційному спектрі з´являються максимуми, обумовлені утворенням збагачених кремнієм домішкових фаз. Оптимальні умови формування буферного шару ортосилікату барію: відпал структур ВаО-Sі в атмосфері кисню при Т=700-750оС.
Сформовані в оптимальних умовах буферні шари ортосилікату барію характеризуються діелектричними параметрами близькими до об'ємних: питомим опором 10-10Ом.см та значенням діелектричної сталої ε =13-15. Нанесені на такий буферний шар плівки YBaCuO-х характеризуються температурою критичного переходу в надпровідний стан Тс=89-90 К.
Буферні шари з металічною провідністю на основі дисиліциду кобальту дозволяють формувати якісні ВТНП плівки на кремнієвій підкладці з одночасним забезпеченням низькоомного омічного контакту як до кремнію, так і до високотемпературного надпровідника. Попередня іонна імплантація Со+ призводить до суттєвої аморфізації поверхневого шару кремнію і відповідно до зменшення впливу дезорієнтуючих ефектів на формування силіцидного шару. При відпалі імплантованих Со+ структур взаємодія кобальту з кремнієм супроводжується утворенням вузького шару дископодібних преципітатів в приповерхневому шарі кремнію. В вольт-фарадній характеристиці контактних структур СоSi –nSi спостерігається мінімум ємності, обумовлений наявністю δ-подібного шару преципітатів Со в об`ємі напівпровідника.
Нанесення на поверхню кремнію тонких покриттів на основі оксидів барію може бути одним із способів зменшення порогу електронної емісії і підвищення стабільності характеристик. Досліджено вплив атмосфери кисню і нагрівання кремнієвої підкладки на рентгеноелектронні спектри поверхні кремнію з тонким покриттям оксиду барію (рис.9). Товщина шару ВаО складала d<10 нм, тиск кисню –р(О)=10 Па, відпал структури здійснювався при температурі Тп=500оС протягом 5 хв. Нанесення тонкого шару BaО інтенсифікує процес окислення кремнію, ступінь окислення поверхні кремнію зростає при збільшенні товщини нанесеного шару BaО. З ростом концентрації кисню в камері рівень Si2р зсувається далі до положення Si+ в SiО і стабілізується на рівні 103,2 еВ.
Дані рентгено-фотоелектронних спектрів дозволяють пояснити процеси формування структур BaО-Si в припущенні механізму електронного обміну між атомами осаджуваного шару і кремнієвої підкладки. На початковому етапі перехід електронного заряду від атомів Ва до атомів Si обумовлює процеси їх іонного зв'язку, що є характерним для лужних металів на кремнії. Ковалентні зв'язки Si-Si руйнуються, атоми Si дифундують до зовнішньої поверхні, забезпечуючи проходження процесу окислення. Відпал в присутності кисню призводить до термічної стимуляції окислення кремнію і до активізації хімічної взаємодії між оксидами ВаО і SiО2. Процес взаємодії на межі розділу ВаО-Si здійснюється в кілька стадій: адсорбція часток окислювача (О) на зовнішній поверхні ВаО, дифузія часток окислювача до межі ВаО-Si, взаємодія кисню з кремнієм і утворення SiО, хімічна взаємодія в системі ВаО-SiОі формування силікатних фаз. В умовах розірваних координаційних зв'язків Si-Si при відпалі в атмосфері кисню переважно утворюється багата металом ортосилікатна фаза ВаSiО4, в якій атоми кремнію оточені атомами Ва і О.
Зменшення роботи виходу після формування оксидного або силікатного шару барію і утворення на поверхні підкладки підвищень з високою кривизною обумовлюють зростання емісійного струму порівняно з чистою поверхнею кремнію. Для структур ВаО-Sі флуктуації емісійного струму в більшій мірі проявляються в області середніх полів, при яких процеси міграції поверхневих атомів найбільш інтенсивні. Значне зростання емісійного струму після створення поверхневого шару ВаО або ВаSіОсвідчить про визначальну роль поверхні катоду в формуванні потоку заряджених часток.
У шостому розділі проведено дослідження процесів адсорбції в поверхнево-бар'єрних структурах на з проміжним шаром поруватого купратного оксиду.
В поруватих купратних матеріалах (кераміках, плівках) для міжзеренних границь характерним є існування як потенціальних бар´єрів, так і спечених між собою зерен. Якщо D/2LD>1, (D –діаметр зерна, LD –довжина екранування), то зміни електропровідності визначаються процесами адсорбції у провідному вузькому каналі (для спечених зерен) або модуляцією висоти міжкристалітних бар´єрів (для системи окремих зерен). В нанорозмірних кристалітах при D/2LD<1 області просторового заряду перекриваються і процеси переносу носіів заряду описуються в наближенні плоских зон. Розглянуті процеси модифікації властивостей міжкристалітних бар´єрів при контактуванні зерен з різним хімічним складом. Ємність керамічних двофазових композитів CuО-SnО2 в 2-3 рази перевищує ємність однофазних зразків, що обумовлено існуванням на межах зерен крім ізотипних гетеропереходів SnО-SnО та CuО-CuО міжкристалітних р-n переходів рCuО-nSnО. В середовищі парів ацетону двофазові композитні структури характеризуються більшими значеннями газової чутливості.
Теоретично проаналізовано особливості впливу адсорбції на електричні характеристики поверхнево-бар´єрних структур метал - проміжний шар поруватого оксиду –напівпровідник. Показано, що газова чутливість таких структур визначається змінами провідності та діелектричної сталої проміжного оксидного шару, висоти потенціального бар`єру Шотткі, перерозподілу падіння напруги. Запропонований метод роздільного визначення впливу адсорбції на електричні параметри проміжного діелектричного шару і гетерограниці на основі аналізу залежності другої похідної dI/dVвід прикладеної напруги. Положення характерного максимуму Vm в залежності визначається висотою потенціального бар΄єру Шотткі φb та значеннями опорів проміжного шару Rd та об΄єму напівпровідника r, а значення струму Іm визначається лише опорами Rd та r:
; (11)
Оптимальним для дослідження роздільного впливу адсорбції на параметри проміжного шару і області Шотткі є співвідношення їх товщин d~L.
Проведено порівняльний аналіз вплив одного і того ж газового середовища (парів аміаку) на електрофізичні характеристики структур метал (Ni, Ті) - кремній з різною природою проміжного оксидного шару (структури з надтонкими металевими шарами, структури метал-SnO-кремній, структури метал-CuO-кремній). Контакти метал-кремній з надтонкими (3-30нм) шарами Ni та Ті характеризуються острівковою структурою несуцільної металевої плівки. Процеси адсорбції молекул аміаку на поверхні структури призводять до перерозподілу заряду на міжатомних електронних зв´язках межі розділу метал-кремній, що еквівалентно зміні діелектричної проникності перехідного шару. Зміни діелектричної проникності локалізуються в місцях контактування окисленого металу (р-NiO або n-ТіО) на периферійних ділянках металевих острівців з кремнієвою підкладкою.
В поверхнево-бар´єрних структурах з проміжним шаром поруватого оксиду (SnO, CuO) чутливість до середовища аміаку визначається зміною електричних параметрів проміжного оксидного шару і межі розділу між оксидом і підкладкою. При малій товщині оксидного шару проникнення до гетерограниці молекул NH забезпечує доставку надлишкового заряду, обумовлюючи збільшення (для кремнію n-типу) або зменшення (для кремнію р-типу) загальної провідності контактної структури. Збільшення товщини проміжного шару обумовлює зростання ролі його провідності, зміни якої відбуваються у відповідності з донорними властивостями адсорбованих молекул аміаку (зростання провідності для n-SnO і зменшення для р-CuO). При підвищенні температури в структурах метал-CuO-кремній зростає інтенсивність дисоціативної адсорбції, в результаті якої вивільнений водень дифундує через проміжний діелектричний шар, що призводить до зміни концентрації електронних станів гетерограниці і відповідно до змін електричних характеристик. Ефекти розтікання та перерозподіл напруги між проміжним оксидним шаром та областю бар´єра Шотткі визначають немонотонність залежності газової чутливості від прикладеної напруги.
Розроблені методи формування гетероструктур Ni-CuO-п,рSi з різною структурою проміжного шару купратного оксиду. Показано, що гетероструктури Ni-CuO-n,рSi дозволяють реалізувати подвійну функцію плівки CuO: мембрани для молекул газу і газочутливого елементу. В структурах з відкритою системою пор в плівці CuO чутливість до впливу газового середовища (парів води, ацетону) визначається як зміною опору проміжного шару, так і зміною висоти потенціального бар´єра на гетерограниці. Газова чутливість структур з впорядкованою структурою плівки CuO в основному визначається зміною резистивних властивостей проміжного шару. Основними механізмами проходження струму в гетероструктурах Ni-CuO-п,рSi є термоелектронна емісія і емісія Пула-Френкеля. Вклад кожної складової визначається товщиною та структурою проміжного шару та інтервалом прикладеної напруги. Модифікація поверхні плівки CuO каталітично активним металом (Рt, Pt) дозволяє зменшити температуру максимальної чутливості гетероструктур. Польові залежності газової чутливості мають немонотонний характер, що дозволяє вибирати оптимальний діапазон напруг з максимальною чутливістю.
Кінетику впливу газового середовища на електричні параметри поверхнево-бар΄єрних структур можна проаналізувати з наведених на рис.10 часових залежностей зміни струму при постійному значенні прикладеної напруги. Структури є малоінерційними, виходять в режим насичення на протязі кількох хв. Час релаксації залежить від тиску і температури, стану поверхні і не залежить від процесів знегажування. В атмосфері парів води суттєвим є час повернення до вихідних параметрів і для прискорення цього процесу необхідний додатковий нагрів структур. Різниця між першою ізотермою, що включає фізично адсорбовану, хемосорбовану та прореаговану воду і послідуючими обумовлюється необоротністю процесів взаємодії молекул води з поверхнею купратного оксиду.
Процеси адсорбції і конденсації води в порах призводять до суттєвих змін електричного імпедансу структур метал–CuO–кремній, що обумовлено аномально високими значеннями діелектричної проникності води (ε=81). Це може бути використано як для створення сенсора вологості ємнісного типу, так і для оцінки розмірів пор в плівці CuO методами адсорбційно-ємнісної порометрії. Поруватий шар СuO наносився на поверхню попередньо термічно вирощеного на кремнії тонкого шару SіО(d=0,05-0,1мкм), який обмежує дифузію молекул НО до гетерограниці і сприяє отриманню близьких до ідеальних МДН-структур вольт-фарадних хзарактеристик. Різниця між значеннями ємності поруватої оксидної плівки при відносній вологості (RH≠0) і в сухій атмосфері (RH=0) визначається:
(12)
Враховуючи, що εН2О>>εАirі в режимі акумуляції ΔCeff≈ΔСmax (Сmaх –ємність контактної структури в режимі акумуляції), згідно (12) із ємнісних вимірювань можна визначити об´єм адсорбованої в порах води VН2О і, відповідно, значення відносної вологості RH. Згідно електронно-мікроскопічних досліджень отримані плівки СuO характеризуються середнім розміром пор 30-50нм, що дозволяє їх віднести до класу мезопористих адсорбентів. Для мезопор характерним механізмом адсорбції є капілярна конденсація води, що описується рівнянням :
(13)
де RH=p/p, р - тиск парів, р–тиск насичених парів, Т– температура. Vm - молярний об´єм рідини, σ - коефіцієнт поверхневого натягу, rk- радіус капіляра, R - газова стала. Згідно (12) всі пори плівки з радіусом меншим критичного rk є заповненими для даного значення відносної вологості RH. На рис.11 наведені ізотермічні залежності еффективної діелектричної проникності εeff проміжного поруватого шару в поверхнево-бар´єрних структурах Ni-CuO-nSi. Адсорбція парів води обумовлює ефективне збільшення діелектричної проникності поруватого шару. Розраховані значення поруватості плівки CuO складали α=30-35%. Визначений згідно (11) об´єм конденсованої вологи при RH=90% зростає до VН2О=2.10-9см-3 (Т=20оС) і VН2О=4.10-9см-3 (Т=50оС). В рамках циліндричної моделі визначено, що для капілярного механізму конденсації вологи максимальний вклад в зміну діелектричної проникності поруватого шару CuO вносять пори з розміром rk <20-30 нм.
ВИСНОВКИ
Представлені в роботі результати та наукові положення вирішують наукову проблему - створення фізичних основ роботи поверхнево-бар´єрних напівпровідникових структур з тонкими шарами купратних оксидів (надпровідних та ненадпровідних).
З'ясовані механізми електронного переносу в контактах надпровідник –напівпровідник та метал - надпровідний напівпровідник; визначені механізми структурно-хімічних перетворень в контактах ВТНП-метал та ВТНП-кремній, встановлені закономірності формування методами твердофазного синтезу буферних шарів на кремнії з діелектричними та металічними властивостями, створені ефективні газові сенсори з оксидними шарами. Отримані результати можуть бути використані для подальшого розвитку теорії гібридних ВТНП-напівпровідникових структур та для створення нових функціональних елементів мікроелектроніки.
Основні наукові та практичні результати роботи:
Термічний розпад надпровідної фази та хімічна взаємодія з газовими компонентами оточуючої атмосфери визначають процеси утворення ненадпровідних фаз на поверхні ВТНП купратних оксидів. Електричні та оптичні характеристики ненадпровідних купратних фаз знаходять роз'яснення в рамках моделі напівпровідників з малою рухливістю носіїв заряду (10-1-10-3 см/В.с). Наявність малорухливих носіїв типу поляронів визначає характер частотної залежності провідності в інтервалі низьких температур, де домінуючим є стрибковий механізм переносу носіїв заряду. Купратні оксиди в системі 1:2:3 (YBaCuO-δ, CuО, BaCuО, YBaCuО) мають близькі експериментальні значення енергій зв'язку поляронних станів: Ер =0,1-0,15 еВ.
Одержані аналітичні вирази для термоелектронної і тунельної компоненти струму в контакті надпровідник –напівпровідник з проміжним діелектричним шаром. Перехід металу в надпровідний стан призводить до зменшення прямого і збільшення зворотного надбар´єрного струму. В тунельному контакті надпровідник-напівпровідник параметр нелінійності зменшується при збільшенні відносної товщини проміжного діелектричного шару і ступеня легування напівпровідника. Значення тунельно-резонансного струму за участю глибоких центрів в області просторового заряду напівпровідника за їх достатньої концентрації та низьких температур може перевищувати відповідні значення надбар´єрного і тунельного струмів.
В рамках діодної теорії розраховані вольт-амперні характеристики контакту метал - надпровідний напівпровідник. Наявність енергетичної щілини 2Δ в густині станів напівпровідника обумовлює зменшення надбар´єрного струму в близькому до висоти потенціального бар'єра інтервалі напруги: . Зменшенню надбар´єрного струму сприяють більші значення параметра Δ і зниження температури. При виконанні умови в контакті метал - надпровідний напівпровідник стає можливим ефект зворотного випростування.
Контакти метал - ВТНП з хімічно неактивними металами (Аg, Au, Pd, Pt) характеризуються малими значеннями контактного опору 10-7-10-9 Ом.см. Властивості межі розділу в таких контактах визначаються двома основними факторами: дифузією кисню і проникненням металу в приповерхневий шар ВТНП матеріалу. В контактах метал - ВТНП з хімічно активними металами (Ті, Ni, Al та ін.) процеси хімічної взаємодії і утворення нових сполук на межі розділу обумовлюють зростання контактного опору. Температурні залежності контактного опору знаходять пояснення на основі уявлень про проходження носіїв заряду в надпровідній перколяційній сітці. Зниження ефективної розмірності перколяційної сітки в області контакту і локалізація струму призводить до руйнування джозефсонівських зв΄язків при значно меншій порівняно з об΄ємом густині струму
Зміна електрофізичних властивостей контактів метал - ВТНП під дією іонізуючого випромінювання визначається двома основними механізмами: утворенням структурних дефектів і радіаційною стимуляцією процесів взаємодії на межі розділу між контактуючими матеріалами. Основна причина дефектоутворення обумовлена іонізаційною дією γ-опромінення і розривом слабких зв΄язків в ланцюжках Cu-О. В контактах з хімічно активним металом при збільшенні дози іонізуючого опромінення зростає роль радіаційно-стимульованих процесів взаємодії на межі розділу між контактуючими матеріалами.
В контактних структурах YВaCuO-кремній основні зміни хімічного складу відбуваються в перехідному шарі між плівкою та підкладкою і є результатом зустрічної дифузії атомів барію, кисню та кремнію. Переважним результатом хімічної взаємодії в інтервалі температур 600-800оС С є утворення на межі розділу шару силікатів барію, товщина якого зростає з температурою і тривалістю відпалу. Висока швидкість надходження атомів барію в зону реакції обумовлює лінійну залежність росту товщини силікатного шару від часу відпалу.
Природа глибоких центрів в гетероструктурах YВaCuO-кремній визначається процесами дефектоутворення та формування сторонніх фаз на межі розділу. В приповерхневій області підвищення температури формування призводить до зміни енергетичних характеристик глибоких центрів, що обумовлено зміною структури та розмірів силікатних включень в напівпровідниковій матриці. Польова стимуляція спустошення мікроскопічних пасток описується ефектом Пула-Френкеля.
В невзаємодіючих притискних структурах ВТНП –напівпровідник спостерігаються типові для контактів метал - напівпровідник з бар΄єром Шотткі випростуючі характеритстики. Висота потенціального бар΄єру має значення φb≈0,8еВ для контактів YBaCuO-nSi і φb≈0,5еВ для контактів YBaCuO-рSi. Запропоновано спосіб оцінки ступеню неоднорідності межі розділу в такого типу гетероструктурах методами математичного моделювання електрофізичних характеристик.
Ортосилікат барію ВаSiО є ефективним матеріалом для буферного антидифузійного бар'єру в структурах ВТНП –кремній, що забезпечується узгодженістю кристалоструктурних параметрів ортосилікату барію з відповідними параметрами надпровідної плівки та кремнію, наявністю в його складі спільних елементів як з плівкою (Ва,О) так і з підкладкою (Si,O). Визначено оптимальні умови (відпал в атмосфері кисні при Т=750-780оС) формування шару ортосилікату барію. Нанесені на такий буферний шар плівки YBaCuO мають задовільні надпровідні властивості при Тс=89-90 К.
Визначені взаємозв'язки між процесами хімічної взаємодії в системі оксид барію –кремній і емісійними характеристиками виготовлених структур. Нанесення на поверхню кремнію тонких покриттів на основі оксидів барію обумовлює зменшення порогу електронної емісії і підвищення стабільності емісійних характеристик.
Буферні шари з металевим типом провідності на основі дисиліциду кобальту дозволяють вирішити проблему формування якісних ВТНП плівок на кремнієвій підкладці з одночасним забезпеченням низькоомного омічного контакту як до кремнію, так і до надпровідної плівки. Попередня іонна імплантація Со+ призводить до суттєвої аморфізації поверхневого шару кремнію і відповідно до зменшення впливу дезорієнтуючих ефектів на формування силіцидного шару. Мінімум ємності в вольт-фарадній характеристиці легованих іонами Со+ контактних структур СоSi –nSi обумовлений наявністю δ-подібного шару преципітатів кобальту в об`ємі напівпровідника.
Механізм впливу адсорбції на електричні характеристики поверхнево-бар´єрних структур метал - проміжний шар поруватого купратного оксиду –напівпровідник визначається змінами провідності та діелектричної сталої проміжного шару, висоти потенціального бар`єру Шотткі, перерозподілу падіння напруги в структурі. Запропонований метод роздільного визначення впливу адсорбції на електричні параметри проміжного шару і гетерограниці на основі аналізу залежності другої похідної від прикладеної напруги.
Розроблені методи формування гетероструктур Ni-CuO-п,рSi з різною структурою проміжного шару купратного оксиду. Показано, що в гетероструктурах Ni-CuO-n,рSi реалізується подвійна функція плівки купратного оксиду: мембрани для молекул газу і газочутливого елементу. Модифікація поверхні плівки CuO каталітично активним металом (Pt,Pd) призводить до зменшення температури максимальної чутливості гетероструктур.
Зміни електричного імпедансу МДН-структур з проміжним шаром купратного оксиду при адсорбції води є основою для створення сенсора вологості ємнісного типу і можуть використовуватися для оцінки розмірів пор в плівці оксиду методами адсорбційно-ємнісної порометрії. В рамках циліндричної моделі пор визначено, що при капілярному механізмі конденсації вологи максимальний вклад в зміну діелектричної проникності плівки CuO вносять пори з розміром rk <20-30нм. Залежність відносної зміни ємності в газовому середовищі від прикладеної напруги має немонотонний характер, що дозволяє вибирати діапазон напруги з максимальною чутливістю.
ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ
Алфеев В.Н., Груша С.А., Кузнецов Г.В., Угрин М.И. Экспериментальное исследование джозефсоновских переходов с полупроводниковым барьером и контактов сверхпроводник-полупроводник. //Радиотехника и электроника. -1979. -т.24, №11. -с.2320-2325.
Кузнецов Г.В. Вольт-амперная характеристика туннельного контакта сверхпроводник-полупроводник. /В кн.: Полупроводниковые приборы с барьером Шоттки. - Киев: Наукова думка. -1979. -с.140-146.
Бузанева Е.В., Кузнецов Г.В., Стриха В.И. О прохождении туннельного резонансного тока в контактах металл-полупроводник. //Радиотехника и электроника. -1982. -т.27, №3. -с.615-617.
Бузанева Е.В., Ветров А.П., Кузнецов Г.В., Мунтян Ю.Г. Влияние глубоких уровней радиационных дефектов в кремнии на характеристики структур Al-V-nSi после γ-облучения. //Радиотехника и электроника. -1985. -т.30, №11. -с.2291-2293.
Кузнецов Г.В., Стриха В.И. Анализ детального хода вольт-амперной характеристики контакта металл-полупроводник с барьером Шоттки. //Вестник Киевского университета. Сер. Физика. -1986. -№27. -с.50-60.
Бузанева Е.В., Кузнецов Г.В., Стриха В.И. Температурные изменения электронных состояний границы раздела металл-кремний. //Микроэлектроника. -1986. -т.15, №3. -с.275-277.
Богуславский Ю.М., Кузнецов Г.В., Руденко Э.М., Стриха В.И. Электрофизические характеристики контактных структур Cr-YBaCuO. /В кн.: Проблемы высокотемпературной сверхпроводимости. -Киев. -1988. -с.60-61.
Кузнецов Г.В., Левандовский В.Г., Стриха В.И. Моделирование контакта металл-высокотемпературный сверхпроводник в условиях планарно-неоднородного прохождения туннельного тока. /В кн.: Проблемы высокотемпературной сверхпроводимости. -Киев: -Наукова думка. -1989. -с.59-62.
Кузнецов Г.В., Робур Е.Г., Скрышевский В.А., Стриха В.И. ИК-спектроскопия границы раздела металл-ВТСП. /Сб. материалов 11 всесоюзной конференции по высокотемпературной сверхпроводимости. -Киев. -1989. -т.2. -с.160-161.
Кузнецов Г.В., Левандовский В.Г., Стриха В.И. О механизмах прохождения тока в контактных структурах металл - высокотемпературный сверхпроводник. /Сб. материалов 11 всесоюзной конференции по высокотемпературной сверхпроводимости. -Киев. -1989. -т.2. -с.216-217.
Авраменко В.А., Кузнецов Г.В., Стриха В.И., Шека Д.И. N-образная вольт-амперная характеристика диодной структуры с переменной топологией области обеднения. //Микроэлектроника. -1989. -18. -№5. -с.470-472.
Белоусов И.В., Дядюн Ю.А., Кузнецов Г.В., Полищук А.О. Способ изготовления джозефсоновского перехода. А. с. СССР №1464836 от 08.08.1989.
Авраменко В.А., Кузнецов Г.В., Стриха В.И., Шека Д.И. Структура области обеднения и вольт-амперная характеристика контакта металл-полупроводник с омическими включениями. //Известия ВУЗов. Сер. Физика. -1990. т.33, № 4. -с.21-25.
Ветров А.П., Кузнецов Г.В., Панасюк В.Н.,Смирнов В.И., Стриха В.И. Способ определения параметров глубоких уровней в полупроводниковых структурах. А. с. СССР №1570563 от 08.02.1990.
Вдовенкова Т.В., Ильченко В.В., Кузнецов Г.В., Стриха В.И. Влияние отжига на свойства структур металл - ВТСП. /В кн.: Физика и технология тонких пленкок сложных полупроводников. Труды V респ. конференции. -Ужгород. -1992. –с.192-194.
Ilchenko V.V., Kuznetsov G.V. Contact effects in heterostructures based on high temperature superconductors YBaCuO. //Proc. of Int. Conf. "Physics in Ukraine". Radiophysics and Electronics. - Kiev. -1993. - p.125-128.
Вєтров О.П. Кузнецов Г.В. Метод дослідження вольт-амперних характеристик нелінійних елементів. //Вісник Київського університету. Сер. Фіз.-мат. науки. -1993. -№2. -с.166-171.
Вelousov I.V., Ilchenko V.V., Kuznetsov G.V., Strikha V.I. Effects of interаction in YBaCuO-GaAs structures with chemical active silicide buffer layer. //Physica C. -1994. -v.235-240. -p.607-608.
Вєтров О.П., Кузнецов Г.В. Ємнісний спектрометр глибоких рівнів. //Вісник Київського університету. Сер. Фіз.-мат.науки. -1994. -с.293-300
Вelousov I.V., Ilchenko V.V., Kuznetsov G.V., Ruban A.I., Skryshevsky V.A. YBaCuO-Si structures with barium silicаte buffer layers. //Proc. of Int. Workshop on Advanced Technologies of Multicomponent Solid Films and Structures. -Ujgorod. -1994. -p.28-29.
Вдовенкова Т.В., Ільченко В.В., Кузнецов Г.В., Неволін В.С., Стріха В.І. Вплив температури кремнієвої підкладинки на взаємодію з плівкою оксидного надпровідника типу 1:2:3. //Вісник Київського університету. Сер. Фіз.-мат. науки. -1994. -с.385-393.
Вelousov I.V., Ilchenko V.V., Kuznetsov G.V., Ruban A.I., Strikha V.I. Superconducting YBaCuO thin films on silicon with barium silicate buffer layers. //IEEE Trans. Appl. Superconducting. -1995. -v.5. -№2. -pаrt.2. -p.1510-1512.
Belousov I.V., Ilchenko V.V., Kuznetsov G.V., Rudenko E.M. Investigation of the electrical properties of heterostructures YBaCuO-Si with silicide buffer layer. //Mater. of Int. Workshop on Superconductivity. -Maui. -1995. -p.458-459.
Belayev A.I., Bykov V.I., Buzaneva E.V., Vdovenkova T.V., Kuznetsov G.V., Pechen E.V., Brunner B., Schoenberger R. SPM view of surface morfology and atomic structure of YBCO films on Si with buffer layers. //Abstracts. 6-th Europ. Conf. On Applications of Surface and Interface Analysis. -Montreux. -1995. -p.SU-9.
Boyko P.A., Kuznetsov G.V., Loboda P.I., Tsyganova A.I. Barium silicate buffer layer for HTSC-silicon structures. //Functional Materials. -1996. v.3.-№3. -p.283-287.
Ільченко В.В., Кузнецов Г.В., Скурський В.В., Циганова Г.І. Процеси фазоутворення в системі ВаО-SіО. //Вісник Київського університету. Сер. Фіз.-мат. науки. -1997. -№2. -с.263-269.
Бiлоусов І.В., Ільченко В.В., Кузнецов Г.В., Стріха В.І. Спосіб виготовлення надпровідних оксидних плівок на кремнії. Патент України №18067 А від 17.06.1997р.
Ильченко В.В., Кузнецов Г.В., Скурский В.В., Цыганова А.И. Формирование бариевосиликатного слоя на кремнии. //Микроэлектроника. –. –т.27. -№5. -с.340-345. (Ilchenko V.V., Kuznetsov G.V., Skursky V.V., Tsiganova A.I. Formation of BaSiObuffer layer on Si structures. //Microelectonics. –8. –v.27. -№5. -р.291-296).
Бомк О.Й., Ільченко Л.Г., Ільченко В.В., Кузнецов Г.В., Пінчук О.М., Стріха В.І. Механізм газової чутливості до аміаку структур нікель-п-кремній. //Український фізичний журнал. –. –т.43. -№1. –с.125-128.
Кузнецов Г.В. Вплив хімічного складу на електрофізичні властивості ненадпровідних купратних фаз. //Вісник Київського університету. Сер. Фіз.-мат. науки. -1998. -№1. -с.256-261.
Бомк О.Й., Ільченко Л.Г., Ільченко В.В., Кузнецов Г.В., Пінчук О.М., Пінчук В.М., Стріха В.І. Про природу чутливості до аміаку газових сенсорів на основі структур надтонка металева плівка - кремній. //Український фізичний журнал. -1999. -т.44. -№6. -с.759-763.
Кузнецов Г.В. Поляронний транспорт в діелектричних купратних оксидах. //Вісник Київського університету. Сер. Фіз.-мат. науки. -1999. №4. -с.271-274.
Bomk O.I., Ilchenko L.G., Ilchenko V.V., Kuznetsov G.V., Pinchuk A.M., Pinchuk V.M., Strikha V.I. About the gas sensitivity of contacts metal - silicon with the superthin nickel and titanium films to the ammonia environment. //Sensors and actuators. –. –v.В62. -р.131-135.
Білоусов І.В., Ільченко В.В., Кузнецов Г.В. Вплив імплантації іонів Со+ в кремній на формування силіциду кобальту. //Вісник Київського університету. Сер. Фіз.-мат. науки. -2000. -№2. -с.382-390.
Bomk O.I., Ilchenko L.G., Ilchenko V.V., Kuznetsov G.V. The influence of the superthin metallic film structure on the gaz sensivity of the metal - silicon surface barrier sensors. //Proc. the 14-th European conference on solide-state transducers. Eurosensors-14. -Copenhagen. -2000. -p.189-191.
Ильченко В.В., Кузнецов Г.В. Влияние кислорода на взаимодействие и работу выхода в структурах Ва-Si и ВаО-Si. //Письма в ЖТФ. –. -т.27. -№8. –с.58-63. (Ilchenko V.V., Kuznetsov G.V. Effect of oxygen on the chemical reactions and electron work function in Ba-Si and BaO-Si structures. //Technical Rhysics Letters.-2001.–v.27.-№4.-p.333-335).
Кузнецов Г.В. Термоэлектронный ток в контактe металл - сверхпроводящий полупроводник. //Письма в ЖЭТФ. –. -т.74. -№10. –с.556-559. (Kuznetsov G.V. Тhermionic сurrent in a metal –superconducting semiconductor junction. //JETF Letters. –. -v.74. –№10. –p.495-497).
Kuznetsov G.V., Skryshevsky V.A., Tsyganova A.I., VdovenkovaT.A., Gorostiza P., Sanz F. Platinum electroless deposition on silicon from hydrogen fluoride solutions: electrical properties. //Journal Еlectroсhem. Society. –. –v.148. –№8. -p.528-532.
Ильченко В.В., Кузнецов Г.В., Телега В.Н., Цыганова А.И. Влияние условий формирования на эмиссионные характеристики тонкопленочных структур ВаО-Si. //Proc. of the 12-th Int. Symp."Thin films in erlectronics”. –Kharkov. –. -p.96-99.
Кузнецов Г.В. Прохождение носителей заряда в контакте металл - сверхпроводящий полупроводник. //Физика и техника полупроводников. -2002. -т.36. -№9. -с.1077-1083. (Kuznetsov G.V. Charge carrier transport through the contact of metal with a superconducting semiconductor. //Semiconductors. –. -v.36, №9. –p.1001-1007).
Kilchitskaya T.S., Kuznetsov G.V., Skryshevsky V.A., Tretyak O.V., SanzF. Electrical and gas sensing properties of porous silicon formed by platinum electroless deposition on silicon from hydrogen fluoride solutions. //Mater. of the 3-th Int. Conf. "Porous semiconductors – science and technology".- Tenerife, 2002.-р.115-116.
Belousov I., Buzaneva E., Gorchinskiy A., Kuznetsov G., Lysko O., Lytvyn P., Popova G., Veblaya T., Vysokolyan O., Zherebeskyy D. Self formation of Si nanostructured layer at the metal silicide/silicon interface. //Materials Science and Engineering C. –. –v.23. –p.181-186.
Кузнецов Г.В., Третяк О.В. Влияние адсорбции воды на емкость структур металл –пористая пленка купратного оксида –кремний. //Сб. докладов Международного симпозиума “Функциональные покрытия на стеклах”(FCG-1). –Харьков. –. -с.213-217.
Кузнецов Г.В., Циганова А.І. Вплив структури проміжного шару на газову чутливість контактів метал –оксид міді –кремній. //Вісник Київського університету. Сер. Фіз.-мат. науки. -2003. -№3. -с.289-293.
АНОТАЦІЯ
Кузнецов Г.В. Надпровідні та ненадпровідні купратні оксиди в напівпровідникових гетероструктурах. –Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10 –фізика напівпровідників та діелектриків. Київський національний університет імені Тараса Шевченка. Київ, 2003 р.
В дисертаційній роботі наведені результати досліджень контактних явищ в напівпровідникових гетероструктурах з надпровідними та ненадпровідними купратними оксидами. З΄ясовані процеси утворення ненадпровідних фаз на поверхні та межах розділу виокотемпературних надпровідних (ВТНП) купратних оксидів, визначені домінуючі механізми електропровідності в таких фазах. На основі теоретичної моделі контакту метал –напівпровідник проаналізовано вплив надпровідності одного з електродів (металу або напівпровідника) на процеси переносу носіїв заряду. Отримані аналітичні вирази для надбар´єрної та тунельної компонент струму через контакт з урахуванням ролі проміжного діелектричного шару. Встановлені основні закономiрностi між структурно-хімічними і електрофізичними властивостями контактних структур ВТНП - метал, ВТНП –напівпровідник. Досліджені процеси твердофазного синтезу і визначені електричні параметри діелектричних (силікатних) та металічних (силіцидних) буферних антидифузійних шарів на кремнії. Експериментально визначені механізми впливу адсорбції на електрофізичні характеристики контактів метал-кремній з проміжним шаром купратного оксиду. Показано, що визначальними для газової чутливості є зміни провідності та діелектричної сталої проміжного оксидного шару, висоти потенціального бар`єру, перерозподілу падіння напруги в структурі.
Ключові слова: купратний оксид, високотемпературний надпровідник, контакт ВТНП –метал, контакт ВТНП–напівпровідник, газочутлива структурa.
SUMMARY
Kuznetsov G.V. Superconducting and non-superconducting cuprate oxides in semiconducting heterostructures. - Manuscript.
Thesis for the scientific degree of Doctor of physical and mathematical sciences by speciality 01.04.10 - physics of semiconductors and dielectrics, Kyiv National Taras Shevchenko University, Kyiv, 2003.
The processes of physical and chemical interaction in the heterostructures with superconducting and non-superconducting cuprate oxides as well as electron transport in these structures are studied in detailed. The influence of superconductivity of one of from the electrodes contact metal - semiconductor contact (metal or the semiconductor) on charge carriers transport is studied theoretically. Thermionic and tunnel components of a current are designed in view of influence of an intermediate dielectric layer. The correlation between structural, chemical and electrical properties in HTSC – metal and HTSC - semiconductor is established. The real YBaCuO - Si interface always contains the complex intermediate layer, with at thе sufficient thickness may determine the heterostructure behavior. Methods of formation buffer аnti-diffusion layers on silicon are developed. Electric characteristics heterostructures with dielectric (silicate) and metal (silicide) buffer layers are investigated. Influence of adsorption on electric characteristics heterostructures metal - intermediate layer porous cuprate oxides - semiconductor is experimentally investigated. Gas sensitivity of such structures is determined by changes of resistance and dielectric constant of intermediate layer, heights of a potential barrier, redistribution of voltage.
Key words: high-temperature superconductor, cuprate oxide, HTSC –metal contact, HTSC –semiconductor contact, intermediate layer.
АННОТАЦИЯ
Кузнецов Г. В. Сверхпроводящие и несверхпроводящие купратные оксиды в полупроводниковых гетероструктурах. –Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук за специальностью 01.04.10 –физика полупроводников и диэлектриков. Киевский национальный университет им. Тараса Шевченко. Киев, 2003 г.
В диссертации представлены результаты исследований физико-химических свойств границ раздела и механизмов переноса носителей заряда в гетероструктурах со сверхпроводяшими и несверхппроводящими купратными оксидами. Изучены особенности образования несверхпроводящих соединений на поверхности и границах раздела высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) на основе купратных металлооксидов. Результаты электрических и оптических исследований несверхпроводящих купратных фаз находят объяснение в представлениях модели полупроводников с малой подвижностью носителей заряда.
Представлены результаты теоретического анализа влияния сверхпроводимости одного из электродов (металла или полупроводника) на перенос носителей заряда в контакте металл –полупроводник. Аналитические выражения для термоэлектронной и туннельной составляющих тока через контакт получены с учетом роли промежуточного диэлектрического слоя. Показано, что при достаточной концентрации глубоких центров и низкой температуре туннельно-резонансный ток с их участием может превышать соответствующие значения надбарьерного и туннельного токов.
Свойства границ раздела в контактах метал - ВТСП с химически неактивными металлами (Аg, Au, Pd, Pt) определяются двумя основными факторами: диффузией кислорода и проникновением металла в поверхностном слое ВТСП. В контактах метал - ВТСП с химически активными металлами (Ті, Ni, Al) процессы химического взаимодействия и образования новых соединений обуславливают значительный рост и изменение температурной зависимости контактного сопротивления.
В структурах YВaCuO - кремний основные изменения химического состава на границе раздела являются результатом встречной диффузии атомов бария, кислорода и кремния. При температурах 600-800оС доминирует образование промежуточного слоя силикатов бария. Установлено, что параметры глубоких центров в гетероструктурах YВaCuO - кремний определяются процессами дефектообразования и изменениями структуры и размеров силикатных включений в объеме полупроводника.
Разработаны методы твердофазного формирования буферных силикатных и силицидных слоев на кремнии с диэлектрическими и металлическими свойствами. Для системы оксид бария –кремний определены взаимосвязи между процессами химического взаимодействия и эмиссионными характеристиками.
Механизм влияния адсорбции на электрические характеристики поверхностно-барьерных структур метал –промежуточный слой пористого купратного оксида –полупроводник определяется измененими сопротивленя и диэлектрической проницаемости промежуточного слоя, высоты потенциального барьера, перераспределения напряжения в структуре. Модификация поверхности пленки CuO каталитически активным металлом (Pt, Pd) уменьшает температуру максимальной чувствительности гетероструктур. Изменения электрического импеданса МДП-структур с промежуточным слоем купратного оксида при адсорбции воды являются основой для сенсора влажности емкостного типа и могут использоваться для оценки размеров пор в пленке оксида методами адсорбционно-емкостной порометрии.
Ключевые слова: высокотемпературный сверхпроводник, купратный оксид, контакт ВТНП –метал, контакт ВТНП –полупроводник, промежуточный слой.