Властивості нанокомпозитних плівок з нанокластерами кремнію та включеннями металу (Al) в оксинітридній матриці

На сьогоднішній день значна кількість досліджень присвячена збагаченим кремнієм плівкам SiOx і нанокомпозитним плівкам SiO2(Si), що містять нанокристали Si в оксидній матриці. Великий науковий інтерес до таких плівок обумовлено захопленням ними заряду і здатністю випромінювати світло, що є дуже привабливим, зокрема, для застосування в наноелектроніці та оптоелектроніці на основі Si, а саме для енергонезалежної нанокристалічної та резистивної пам’яті, фотодіодів, сонячних елементів, польових емісійних катодів тощо.
Формування нанокристалів Si в матриці аморфного оксинітриду кремнію (SiOxNy) є дуже перспективним підходом для отримання нанокомпозитних структур на основі кремнію. Можливість контролювати властивості SiOxNy шляхом регулювання кількості та співвідношення кисню та азоту є причиною широкого застосування цього матеріалу для багатошарових структур зі змінним показником заломлення, хвилеводів, поверхневих пасиваційних шарів та покриття медичних імплантатів. Регулювання показника заломлення робить SiOxNy добре придатним для оптичних застосувань.
Інший клас оксидних плівок, а саме оксидів металів, представлений широкою різноманітністю функціональних матеріалів для багатьох застосувань, включаючи сенсорику, зберігання енергії, каталіз, оптоелектроніку, фотоніку тощо.
Введення напівпровідникових або металевих наночастинок в оксидні та оксинітридні матриці істотно впливає на їх фізичні та хімічні властивості. Композитні плівки, що містять металеві наночастинки в оксидній матриці демонструють такі цікаві і важливі с точки зору практичного застосування властивості як негативний магнітоопір, посилення магнітооптичних ефектів та функціональність як захисних екранів від електромагнітного випромінювання. Оптичні та електричні властивості таких плівок можна суттєво модифікувати шляхом реалізації поверхневого локалізованого плазмонного резонансу у металевих наночастинках.
Отримання та дослідження нанокомпозитних плівок, що містять як напівпровідникові, так і металеві наночастинки, вбудовані в діелектричну матрицю, або напівпровідникові наночастинки, вбудовані в комбіновану напівпровідник-метал оксидну матрицю є дуже перспективним. Такі плівки можуть надати нові властивості, які будуть сильно залежати від структури матриці, складу, природних дефектів тощо, керуючи їх електричними та оптичними властивостями, що є важливим для широкого класу застосувань.
Для застосування новітніх нанокомпозитних плівок в мікро- та наноелектроніці і оптоелектроніці важливою задачею є дослідження їх електрофізичних властивостей, зокрема встановлення механізмів електронного транспорту та частотних залежностей ємності при їх використанні в структурах метал-діелектрик напівпровідник.
Тому розроблення технологічних процесів отримання нанокомпозитних плівок з нановключеннями кремнію та алюмінію, встановлення механізмів електронного транспорту та ємнісних властивостей безумовно є актуальним.
Метою дисертаційної роботи є розроблення технологічних процесів отримання нанокомпозитних плівок SiAlzOxNy(Si) з нановключеннями кремнію та алюмінію, встановлення фізичних механізмів електронного транспорту та частотних залежностей ємності при їх використанні в структурах метал- діелектрик напівпровідник і можливостей застосування даних плівок в електроніці.
При виконанні дисертаційної роботи були одержані наступні наукові результати:
- Розроблено технологічний процес отримання нанокомпозитної оксинітридної плівки з вмістом кремнію та алюмінію методом іонно-плазмового розпилення.
- Встановлено механізми електронного транспорту через нанокомпозитні плівки SiAlzOxNy(Si) з нановключеннями кремнію та алюмінію в широкому діапазоні температур та електричних полів.
- Визначені параметри електронних пасток, які приймають участь у електропровідності, в забороненій зоні нанокомпозитних плівок SiAlzOxNy(Si) (концентрація, енергетичне положення).
- Встановлено вплив середовища високотемпературного відпалу (аргон, азот) на електропровідність нанокомпозитних плівок SiAlzOxNy(Si).
- Встановлено, що додавання алюмінію і формування аморфної матриці SiAlzOxNy приводить до збільшення електропровідності нанокомпозитних плівок SiAlzOxNy(Si) в порівнянні з плівками SiOxNy(Si), що містять кремнієві нановключення в оксинітридній матриці.
- Виявлено ефект зменшення електропровідності при збільшенні напруженості електричного поля та запропонована фізична модель для його пояснення.
- Виявлено ефект від’ємної ємності в структурах метал-діелектрик- напівпровідник з нанокомпозитною плівкою SiAlzOxNy(Si) та запропонована фізична модель для його пояснення.
Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що:
- Розроблена та реалізована технологія отримання нанокомпозитних плівок SiAlzOxNy(Si) методом іонно-плазмового розпилення мішеней кремнію та алюмінію дає можливість отримувати плівки різного складу, що є основою для їх різноманітного використання, в тому числі в якості матеріалів для напівпровідникових пристроїв, сонячних батарей, тонких плівок в електроніці, покриттів з хорошою стійкістю до окислення і корозії, затворів у транзисторах, оптичних плівок, діелектричних матеріалів тощо.
­ Виявлений ефект від’ємної ємності може бути використаний при формуванні плівкових індуктивностей в високочастотних інтегральних схемах та у якості діелектрика МДН транзисторів ІС наднизької потужності.
У вступі дисертаційної роботи обґрунтовано актуальність теми дослідження, визначено об’єкт та предмет дослідження, відповідно до яких сформульовано мету та завдання роботи, вказано застосовані методи дослідження, представлено наукову новизну результатів роботи, їх практичне значення та форми апробації.
У першому розділі роботи представлено аналітичний огляд літературних джерел за темою дисертації. Проаналізовані різноманітні методи напилення нанокомпозитних плівок, структурні та електричні характеристики нанокомпозитних плівок з включеннями металів, ефект від’ємної ємності та перспективи їхнього використання. З аналізу літературних джерел було показано суттєвий вплив структурних характеристик на властивості нанокомпозитних плівок. На основі проведеного аналізу сформульовано завдання дослідження та завдання дисертації.
В другому розділі описуються технології отримання нанокомпозитних плівок SiAlzOxNy(Si) методом іонно-плазмового напилення. Також описані методики вимірювання, що застосовувалися для аналізу отриманих структур.
В третьому розділі встановлюються структурні та електрофізичні властивості нанокомпозитних плівок. Для характеристики структурних властивостей було проведено дослідження плівки методами ІЧ-спектроскопії та спектральної еліпсометрії, наведений аналіз отриманих результатів. Наводяться результати досліджень електропровідності нанокомпозитних плівок SiOxNy(Si) та SiAlzOxNy(Si) в широкому діапазоні температур та напруженостей електричного поля і фізичні моделі для пояснення властивостей та отриманих ефектів. Для визначення механізмів електронного транспорту в нанокомпозитних плівках були виміряно вольт-амперні характеристики плівки в широкому діапазоні температур.
В четвертому розділі представлено результати дослідження ємнісних властивостей структур метал-діелектрик-напівпровідник з нанокомпозитною плівкою SiAlzOxNy(Si), що містить нанокластери Si вбудовані в аморфну матрицю SiAlzOxNy, як діелектрик. Запропонована фізична модель для пояснення виявленого ефекту від’ємної ємності.

Мурий Я. Ю. Властивості нанокомпозитних плівок з нанокластерами кремнію та включеннями металу (Al) в оксинітридній матриці : дис. … д-ра філософії : 105 – прикладна фізика та наноматеріали / наук. кер. А. А. Євтух. Київ, 2024. 127 с.