автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.21, диссертация на тему:Тонкопленочные структуры на основе ионных и ионно-электронных проводников и конструкторско-технологические вопросы их создания

КАЗАНСКИЙ ГСХЗУДШЛВЕНШЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им.А.Н. ТУПОЛЕВА

Инв.Я ТРЭ-12-93 На правах рукописи

Ддя служебного пользования Экз..№

САЛИШВ ШЬШР АИРАТОВИЧ

УДК 621.382.049.77.001.6 +621.382.049.77.002

ТОШ\ОШ±Ш ОЧНЫЕ СТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ ИОННЬК И ИОННО-ЭЛЕКТРОННЫХ' ПРОВОДНИКОВ И КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГ'ИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ их СОЗДАШ'Ш

Специальность 05.12.21 - Радиотехнические системы специального назначения, - включая технику СВЧ и технологию их производства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань 1993

Работа выполнена в Казанском Государственном техническом университета дм,А.Н.Туполева.

Научные руководители: доктор технических наук,

профессор И.К.Насыров, доктор химических наук', с.н.с. Л.Д.Юшина. Научный консультант: кандидат химических наук,

с.н.с, Ф.А.Карамов. Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Ю.П.Ермолаев, кандидат физико-математических наук, с.н.с., лауреат Государственной премии СССР, Р.М.Баязитов. Ведущая организация: КНИИРЭ,(г.Казань).

Защита состоится декабря 1993г., на заседании специализи-

рованного Совета: КР 063.09.02 Казанского Государственного технического университета им .А .Н.Туполева по адресу: 420П1, г.Казань, ул.К.Маркса, д.10.

С диссертацией молено ознакомиться в библиотеке КГТУ.

Автореферат разослан . ноября 1993г.

Ученый секретарь специализированного Совета кандидат технических наук,

. доцент , В.А.Козлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Усворенное развитие исследований в области суперионных проводников или твердых электролитов (ТЭЛ) за дослбдние годы обусловлено их практическим использованием в энергетике, приборостроении, в качестве источников тока,датчиков состава, различных элементов систем обработки информации. Несомненный интерес для электроники и микроэлектроники представляют открытые и синтезированные в последние годы ТЭЛ с высокой ионной - суперионные проводники и ионно-электронной проводимостью - ТЭЛ переменного состава. Высокая проводимость суперионных проводников обусловлена тем, что они имеют специфические кристаллические решетки, в которых ионы какого-либо типа разупорядочены в пределах кристаллографической ячейки, образующих одно-, двух- или трехслойные сетки, этя ионы има^т высокую подвижность< то есть сравнительно легко могут перемещаться по каналам проводимости. При построении устройств на основе ТЭЛ используются явления в объеме и свойства границы раздела эдектрод-ТЭЛ. Для объема характерны: миграция основных носителей заряда, диффузия, изменение объемной концентрации носителей заряда и изменение электронной проводимости. На границе для них характерны эдектрорастворение, эдектроосажденае, накопление носителей заряда, с образованием двойного электрического слоя.

Практическое использование и полученные научные результаты в этом плане в основном касаются.исследования Той в массивном еидз. Поэтому актуально развитие исследований суперионных проводников и гетвроструктур на их основе, выполненных на основе современных методов микроэлектроники, в частности, с использованием методов тонкопленочной технологии, а также исследование конструктивно-технологических вопросов совместимости этих материалов с традиционными материалами микроэлектроники. Важно изучение тонких пленок ТЭЛ сложного, сложно-композиционного состава с сохранением величин электронной и ионной проводимостей, присущих объемным образцам, что могло бы обеспечить воспроизведение уникальных свойств ТЭЛ в тонкопленочном виде. Решение этих вопросов позволило бы использование ТЭЛ в едином технологическом процессе при создании элементов микроэлектроники и

интегральных схем. Это открывает перспективные возможности электрического управления, подгонки параметров элементов и повышения функциональной плотности реализуемых структур.

Работы по тема диссертации проводились в рамках комплексной программы Минвуза СССР по микроэлектронике на 1981-1985гг., 1986-1990гг. и координационному плану АН СССР "Исследование физических принципов создания новых функциональных устройств ионики" Секции физических и физико-химических основ микроэлак -троняки Научного Совета по физике и химии полупроводников АН СССР, е отделе проблемной лаборатории микроэлектроники.

Цель работы.-Создание тонкопленочных образцов ТЭЛ с ионной, ионно-электронной проводимостью, включая получение тонких пленок ТЭЛ сложно-композиционного состава и исследование их основных электрофизических свойств;

- разработка конструкции, создание и исследование тонкопленочных стшктур на основе ТЭЛ и кремния;

- исследование возможности создания новых функциональных элементов микроэлектроники (резиставных, резистивно-емкостных, элементов с нелинейными вольтамдерными характеристиками) с электрически управляемыми параметрами.

Научная новизна.

1. Реализованы и исследованы гетероструктуры с использованием тонкодленочных ионно-электронных проводников сложного состава и кремниевых дгодложек КДБ и КЭ£>.

2. Получены и изучены тонкопленочные образцы сложно композиционных материалов ( Ад25е)0д25 (Л^3Р04 )00гз я (

*(Ад<)7Те )ц285 )о,о25\ и измерены их основные электро-'

физические параметра. Показана однофазность подученных тонкопленочных образцов и идентичность их свойств с массивными материалами .

3. Разработаны конструктивно технологические вопросы создания новых функциональных элементов микроэлектроника: гете-роструктур бс/Ддггб Х,Х=5,Те о управляемыми вольтамперныш характеристиками и резистивно-емкостных структур с однородными

и неоднородными управляемыми распределенными параметрами.

Практическая ценность. Результаты проведенных конструк-торско-технологических и экспериментальных исследований позволяют дать рекомендации по созданию тонкопленочных структур с использованием твердых электролитов постоянного, переменного состава и сложно композиционных веществ методом термо-вакуумиого напыления. Реализованные лабораторные тонкопленоч^ 2 . .

ные образцы резистивиых, резистивно-емкостных структур с распределенными однородными и неоднородными управляемыми параметрами, удельная емкость и постоянная времени которых на 2-3 порядка выше соответствующих величин, известных тоннопланочных структур, позволят существенно уменьшить их линейные размеры, и-откроют возможность электрического управления и подгонки параметров элементов.

Реализация и использование результатов работа.

Результаты исследований внедрены и использоеэны при изготовлении датчиков расхода жидкости и газа, представляющие из себя распределенные ЕС-структуры в Казанском НИИ радиоэлектроника, в учебный процесс Уральского подитехнического института им.А.Горького, а также включены в научно-технические отчеты по комплексным хоздоговорным работам, выполняемым по важнейшей тематике Института электрохимии АН СССР и Казанским государственным техническим университетом.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международной конференции МЭО, 37-го совещания Международного электрохимического общества, Вильнюс, 1986г., IX Международной конференции по "Ионике твердого тела", Нидерланды, 1993г., 301 Всесоюзной научной конференции по микроэлектроника, Тбилиси, 1987г., научных семинарах Секции твердых электролитов Научного Совета по физической химия ионных расплавов и твердых .электролитов АН СССР "Ионика твердого тела", Рига, ЛГУ, I981-ХЭ89гг., X Всесоюзной конференции по молекулярной электронике, мослеа, 1986г., всесоюзных конференциях по физической химии ионных.расплавов и твердых электролитов УрО РАН, 1987г., 1991г., 1992г.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 18 научных работ, в том числе - 5 авторских свидетельств на изобретения, 2 публикации в мезждународннх сборниках, 2 статьи в журналах центрального издания, остальные публикации в виде тезисов на всесоюзных конференциях, совещаниях и семинарах.

Структура работы. Диссертация состоит из введения и трех глав, выводов, заключения, списка литературы из 121 наименования и приложений. Работа содержит А37 страниц машинописного текста, иллюстрируется рисунками и таблицами на 45 страницах.

краткое содвншаш РАБОТЫ

Первая глава. Посвящена обзору литературных источников, в которых показана актуальность исследований в области ионики твердого тела (исследование свойств и явлений в TSE).

Рассмотрены основные физико-химические свойства ТЭЛ с постоянным (ионные проводами) и переменным составом (ионно-электронные проводники). Рассмотрены реализованные на ТЭЛ преобразователи электрических сигналов, вопросы возможной миниатюризации элементов на основе ТЭЛ, попытки создания пленочных (совместно с массивными ТЭД) преобразователей на основе суперионных проводников. На основе анализа литературных данных показана необходимость реализации и исследования ТЭЛ в миниатюрном исполнении - методами и средствами микроэлектроники для обеспечения возможности реализации их в едином технологическом цикле с элементами микроэлектроники, для повышения функциональной плотности, возможности электрической подгонки создаваемых элементов микроэлектроники.,На основании проведенного'анализа формулируются задачи диссертационной работы.

Вторая глава посвящена рассмотрению вопросов синтеза веществ (ТЭЛ) с ионной и ионно-эдектронной проводимостью. Проведен синтез теллурида Те и сульфида серебра AggS прямым сплавлением стехйомегрическях количеств элементов в кварцевой вакуумированной, при давлении P« 5 10~^мм.рт.ст,, ампуле. Произведено термическое напыление синтезированных халькогенидов серебра. При этом пленки осакдались на подложки из технического стекла, снталла CT50-I д кремния КЭф-4,5 КДБ-10, окисная пленка на которых была получена методом термического окисления при Ю00°С. Осаадение пленок проводилось на заранее нанесенную электродную систему из подслоя хрома и золота. Температура подложки варьировалась от 24 до 140°С, напыление проводилось при давлении не вше 10~^*10~^мм.рт.ст. В результате получе-. на кривая осаждения пленок теллурида серебра, показывающая начало роста пленки ( t=I5c.) и окончание формирования пленки ( t~ 250с.) рис.1. Установлено, что пленки теллурида серебра, в отличие от сульфида серебра, из-за нарушения стехиометрии исходного образца имеют дырочную проводимость (в исходном состоянии массивные синтезированные TSE имели и -типа проводимость). Определенная из температурной зависимости - термическая энергия активации реализованных пленок составила 0,24~0,26эВ

и 0,8-1,0эВ соотвественно для теллурида и сульфида серебра. Зависимость удельного сопротивления от температуры реализованных пленок носит экспоненциальный характер, имеют отрицательный температурный коэффициент, равный ТКа^-^ЧО^К"1 и ТКй^СНО^К'1 соответственно для теллурида и сульфида серебра, что находится в интервале значений ТКР для кремниевых полупроводников,все это характеризует реализованные пленки,как полупроводники. Изучение вопроса стабильности реализованных пленок показывает воспроизведение их параметров (удельного сопротивления) с точностью ±10% на воздухе в течении 1000 часов, а в среде аргона в течении 4000 часов.

Произведены оптические исследования пленок теллурида серебра. Исследования проводились с помощью двухлучевого инфракрасного спектрофотометра ИКС-14, предназначенного для регистрации спектров пропускания твердых, жидких и газообразных веществ в области спектра 13333-5-400 см-1 (0,75-ь25мям). Регистрация спектра производилась на рулонной бумажной ленте. Двухлу-чевая схема использовалась в следствии того, что на спектр образца при работе прибора по однолучевой схеме накладывается спектр поглощения паров воды, углекислого газа, атмосферы, подложки на которой нанесен исследуемый слой, поэтому для вычитания их, при количественном анализе, использовалась только деух-лучевая схема. Однако, для количественного определения параметров энергетической структуры вещества, необходимо анализировать их спектральные характеристика поглощения, а поскольку

> Для нахождения коэффициента поглощения оС. , после снятия криЕых пропускания - Т, необходимо еще иметь спектры отражения. Поэтому, использовалась приставка зеркального отражения Ж10-76, предназначенная для снятия спектров отражения от плоских поверхностей твердых объектов в инфракрасной области спектра. В результате по кривой поглощения определен край полосы поглощения ЛГр (Лгр = 4,24/аЕспт) я оптическая ширина запрещенной зоны -дЕопт . Причем, наблюдалось увеличение аЕопгот 0,57эВ до 0,63зВ, при увеличении удельного сопротивления исследуемой пленки от £=0^18 Ом см до 0,74 Ом см (рис.2) за счет изменения ее состава. '

Реализованы тонкие пленки ТЭЦ сложно-композиционного состава:

¿^0,925 (Ад3Р0АкоТ5 (I)

(A$zS)o,69 (AfarTejqses Рг Or)o,02s - (2)

способных до 2-3 порядков обратимо изменять величину электронной проводимости под действием изменения в них концентрации ионов проводимости. 1

Изучены еопросы получения тонких плёнок веществ сложного

т

состава. Разработан технологический прием, позволяющий получать тонкие пленки ТЭЛ сложно-композиционного состава без нарушения стехиометрического соотношения составляющих их компонент. Суть метода заключалась в следующем: поверхность молеб-дбнового испарителя остекдовивалось с помощью стеклопорошка молибденовой группы на спиртовой основе: C49-I, C50-I, С50-2. Остекловывание производилось в течении 20 мин. при температуре 800-850 С. Для сохранения стехиометрического состава термическое напыление проводилось до полного испарения заранее взвешенной части вещества. Температура подложки составляла 140°С, напыление производилось при Еакууме Р « 10~&ш.рт.сг. Техника получения пленки по этому методу сводилась к следующему: на первом этапе вещество расплавляли в испарителе медленным увеличением температуры, затем резко испаряли его путем 2-3-х кратного увеличения тока, проходящего через испаритель. С целью установления идентичности фазового состава объемных и пленочных образцов был проведен ренгено-фазовый анализ с помощью диф-рактометра Дрон-3, управляемой ЭВМ типа IBM PC/AT в из-

лучении, при напряжении на трубке 40кВ и токе ЗОмА. Угловая скорость скнирования составила 2 град/мин. В результате сделан вывод об однофазности объемных образцов и пленок композитов, что имеет принципиальный характер, поскольку именно сохранение в пленке ватионно-аниодного соотношения должно обеспечить в конечном итоге необходимую величину электронной бе и ионной бГг проводимости, присущей объемным образцам. Проведены исследования основных электрофизических свойств тонколленочных образцов сложно-композиционных материалов. Определенный по знаку гермо здс тип проводимости показал электронную проводимость полученных образцов.

Порядок значений удельных сопротивлений пленок соответствует удельному сопротивлению массивных образцов, а именно бе планок (2) при 30°С составила 9,4 I02 См/см, а у объемных образцов беД,«7,8 Ю2См/см. Ддя планок (I) значение бе

при 2QX- (1,1-2,3)-103См/см, а у объемных образцов .

6?е= 0,87-Ю3См/см. '

Температурная зависимость проводимости композитов подчиняются уравнению для примесного полупроводника: > , _ &Е , _ aEL б-'ёс в 2«г + .,

где первый член характеризует собственную электронную проводимость, а второй относится к примесной проводимости. Выполнил графические построения в координатах —L найдены величины &Е и :

(^oMilTeJo^S(^АЩ)О,015, ЛЕ^ 0,149В, ф-0,07ЗэВ

для

(Afe$e)o,92S, дЕ = 0,075эВ, 053эВ

Длительные испытания подученных пленок показали стабильность их, даже на открытом воздухе, при этом уход удельного . сопротивления составил всего 2% за более чем 4000 часов.

Проведены исследования ионной и электронной проводимости тонкопленочного ТЭД-супарионного проводника R&A^Ts полученного также с помощью остеклованного испарителя с использованием порошка глинозема АНзОъ . Величина ионной проводимости, измеренная при постоянной велдчанз входного напряжения электрохимической ячейки AfljRS&falslAij ПРИ J" ЮООГц составила = 0,14-0,24См/см, что соответствует величинам ионной проводимости массивных образцов. Электронная проводимость измерялась поляризационным методом с использованием систем:

Au/Q$AgqIs/Ag, этом относительно серебрянного электрода подключали некоторый потенциал ( 200мВ) а снималось падение напряжения на токосъемном Р. При этом величина электронной проводимости достигала величин КГ^См/см. Что говорит о высокой воспроизводимости электрических параметров массивного твердого электролита в тонкодленочном исполнении.

Эти результаты были использованы для исследования свойств ТЭЛ сложно композиционного состава, т.к. они проводились по следующей электрохимической системе:

При проведений измерений образцы имели;: . в первом и во втором случаях идентичные контакты и отличались только шириной иссле-

дуемых пленок. В результате вычитания полученных результатов неизвестные контактные сопротивления сокращаются. Зная объемные сопротивления на единицу длины я площади поперечного сечения пленок легко рассчитать удельную электрическую проводимость. В результате таких операций величина ионной проводимости сложно композиционного состава (2) составила <^=0,247См/см, что хорошо согласуется с его значениями в массивных образцах.

В третьей главе разработана конструкция, реализованы технология и проведены исследования тонкопленочных структур на' .основе ионно-электронных проводников и кремния. Одним из первых этапов при реализации данных структур являются подготовительные операции, межоперационная и финишная очистка используемых подложек. Для резки кремниевых подложек (КЗФ-4,5, КДБ-10) на "кристаллы" с размерами 25x25мм использовалась лазерная установка КВАНТ-12 с активным элементом из алюмо-наг-риевого граната ГХО-Н, с длиной волны излучения Д-= 1,06мкм с частотой повторения импульса до 20Гц. П0сле этого подложки подвергались шжоперационной очистке для устранения механических загрязнений. При отработке режимов напыления различных слоев тоняошшночной структуры использовались подложки из технического стекла, е результате резки которых была предложена новая методика резки прозрачных, для лучей ОКГ, подложек, заключающаяся в том, что на поверхность прозрачной подложки (стекло,для ,Х=1,06шы) наносится поглощащий слой, по которому затем и приходили лазерным лучом, что позволило разогреть..

подложку непосредственно под поглощающим слоем и расколоть его путем резкого охлаждения.- Разработаны нестандартные технологические приспособления для проведения технологического процесса вакуумного напыления - устройство временной герметизации. Для проведения электрических измерений в процессе реализации пленки разработаны прецизионное, работающее с помощью химических весов, и магнитное контактные устройства, обеспечивающие высокую точность л оперативность при измерениях.

Необходимость финишной очистки подложек была обусловлена наличием на их поверхностях адсорбированных спиртов, инертных органических растворителей, которые появляются после обезжиривания кремниевых пластин в различных органических растворителях (спиртах, ацетоне и др.). Кроме того, необходимость финишной очистки связана еще и с тем, что свежеполированные поверх-

ности полупроводникоеых подложек обладают повышенной химической активностью, что приводит к. появлению собственной окисной пленки, толщина которой" составляет для ,£<* до 0,007шм. Для ее устранения были выбраны в качестве травя те'дя растворы фтористоводородной кислоты. С помощью электронного просвечивающего микроскопа ВЗ-500 установлено время, необходимое для полного стравливания естественной окисной пленки, которое составило ЬОс.

Омический контакт № к кремнию получен методом лазерного вжигания А1ъЬ\ , заключающийся в следующем: пленка №. , нанесенная на подложку из кремния при той же температуре, что и все остальные слои (Ю0-150°С) после реализации всей структуры подвергается процессу лазерного Ежигания на установке "КВАНТ-12". Диаметром фокального пятна лазера- 100ш<м, напряжение на накопителе - 200-250 вольт и длительность импульса -4мс. После отработки режимов напыления тонких пленок: окиси кремния -ё^Аи^АЕ, Ад&вХ были реализованы четыре вида гетероперехода с нелинейными ВАХ:

М/Я-р Дд^Те/Аи

Ае/в1-п /Ад^Те/Аи

АВ/й - р/Ад^в/ А и (3)

АР/& -п/Ад^З/Аи

Реализованные нелинейные гетероструктуры (3) имеют характерные для полупроводниковых элементов ВАХ рис.З, причем их ВАХ зависят от длительности напыления А^гйХ • Наблюдается увеличение прямого и в меньшей степени обратных токов при температурных исследованиях в диапазоне от +18 до +53°С.

Исследования омического А[/Ъ1 и дифференциального сопротивлений 5//ТЗЛ во времени показали, что указанные границы резко ухудшают свои свойства при хранении в открытой атмосфере. Гетероструктуры лучше сохраняют свои характеристики при герметизации образцов в среде аргона.

Проведены фотоэлектрические исследования реализованных тонкопленочных гетероструктур. В фотодиодном режима при увеличении светового потока от 100 до 600 лк. фототок линейно растет, а обратные токи практически на зависят от приложенного напряжения (рис.4), что хорошо согласуется с ВАХ кремниевых фотодиодов, при этом интегральная чувствительность исследуемых

гетеропереходов составила (при освещенности 200дк.):'

/$1-КЭ(р

В фотовольтаическом режиме исследовались зависимости фото ЭДС. от величины светового потока (рис.5).

Проведен выбор и обоснование математической модели гетеропереходов на основе ТЭЛ с ионно-эяектронной проводимостью и кремния. Выбрана эквивалентная схема, для которой записана аппроксимирующая функция: и

(4)

где - обратный ток насыщения, - сопротивление утечки, йо - объемное сопротивление полупроводника, 171 - параметр рекомбинации, которые являются ее искомыми параметрами.

Найдены параметры аппроксимирующей функции (табл.1) для

(5)

где £ - площадь поперечного сечения перехода;

4>к - контактная разность потенциалов;

(рг - 'тепловой потенциал, которая также подчиняется экспоненциальному закону.

В четвертой главе рассматриваются разработанные и раализо ванные тонкопленочные управляемые структуры.

Реализованы и исследованы тонкопленочные гетеропереходы'с линейными ВАХ, позволяющие на порядок изменить величину электропроводности в зависимости от количества электричества, пропущенного через электрическую цепь управления. А именно, изменяя концентрацию серебра (величину *$ ) в А^а+ьТв , меняется величина ее электронной проводимости. Управление (инжек-ция или экстракция ионов серебра) осуществляется через ТЭЕ МА^Тз - суперионный проводник, обладающий высокой проводимостью по ионам серебра по следующей электрохимической ой-

Аи/Ад^Те/МА%15/А$

Сопротивление экспериментальных образцов изменялось на порядок (рис.6), при этом между управлявшими выводами ( Аи,Ад) пропускалось 1мКд электричества. Причем, после отключения управляющего -сигнала параметры образцов сохраняются до момента подачи очередного управляющего сигнала.

ЕС-элементы известны дэено, они подобно обычным цепям из дискретных И и С элементов,могут использоваться в качестве фильтров, фазосдвигающих и времязадакщих элементов, в качестве элементов частотно-зависимой обратной связи в активных КС-фильтрах, генераторах и прочих устройствах, обеспечивая более высокую компактность, надежность, лучшие электрические характеристики, Использование материалов с ионной и ионно-элевтронной проводимостью (ТЭЛ) позволяет реализовать эти структуры с дополнительными возможностями - электрического управления,характеристиками за счет изменения стехиометрического соотношения . А^зТё, > используемых в качестве резистивного слоя.

Разработанная распределенная ЕС-структура с распределенными однородными параметрами (рис.?) управляется за счет того, что резистиЕНый слой 3 ( РЬ ), слой теллурида серебра 7, слой твердого электролита ЙЬАд^Хе (2) и второй проводящий слой 6 (Ад ) образуют электрохимическую систему, е которой явление электрохимического осаждения и снятия серебряной пленки на поверхности <4^2*?используется для изменения величины сопротивления резистивного слоя 3. При пропускании тока в прямом направлении на электроде 6 происходит реакция частичного растворения серебра: Ад-^А^+О и инжекдая ионов серебра через суперионный проводник 2 в слой теллурида серебра, в результате происходит увеличение электронной проводимости теллурида серебра, следовательно уменьшение начального значения сопротивления квадрата резистивного слоя теллурида серебра (в реализованных образцах начальное 6300 Ом, после процесса инфекции Но" 600 Ом), которое соответствует насыщению Ад^То серебром. При дальнейшем процессе днжекцяи происходит прямое электрохимическое осавдение тонкого слоя металла (Ад) на поверхности резистивного слоя (Р1) и полное изменение Н составило от I Ом до 6300 Ом. При изменении полярности гова между соответствующими выводами происходит растворение металлического слоя серебра и система возвращается в исходное состояние.

Предложена и реализована управляемая КС-структура с неоднородными распределенными параметрами (рис.8) также использующая явление электрохимического осаждения или снятия металлического слоя с поверхности резистивного слоя. Разработанная структура выполнена на диэлектрической подложке I, содержат

резистийный сдой 2 (Pi), с выводами 3 и 4, проводящий сдой 5 (Au) с выводом 6, слой 7 ( RÔAçjiIs ) и прямоугольные полосы 8 из дополнительного слоя Т2Л: R$Ag4Is и дополнительные проводящие слои из Ад -9 с выводами IO.I-IO . При подключении я управляющим электродам положительного потенциала относительно выводов 3 и 4 происходит электрохимическое осаэдение Ад по выше описанной схеме на резистивный слой 2. При изменении длины прямоугольных подос-8 по экспоненциальному закону сопротивление этих участков, находящихся на слое 2, изменяются по этому же закону. При смене полярности система возвращается в исходное состояние," если количество электричества, пропущенное е обратном направления, равно количеству электричества, пропущенному в прямом направлении.

Разработаны конструкции, технология и реализованы управляемые полупроводниковые нелинейные элементы на основе тонкопленочной технологии (рис.9), которые используют явление электрохимического осаждения и снятия металлического слоя с поверхности слоя ТЭД с ионно-электронной проводимостью, который непосредственно контактирует с кремнием (КДБ-10-1А5 или КЭф-4,5 -IA5), являющаяся одновременно подложкой, на которой формируется вся структура. .Принцип работы заключается в следующем: при пропускании тока между выводами "А", "Б" полупроводниковое устройство работает как обычный диод (см.гл.З) и имеат некоторую начальную вольтамперную характеристику (рис.10 поз.1). При пропускании кратковременного электрического тока через управляющий электрод "С" (рис,9), происходит инжекция ионов металла 5 (Ад) через суперионный проводник 7 C/?6A^Xs ) в твердый электролит 6 из полупроводникового вещества - халь-когеняда металла, в результате чего б нвм происходит увеличение носителей заряда (электронов или "дырок"). Причем изменение BAI (рис.Ю, поз.З ) будет пропорционально количеству заряда, пропущенного через управляющий электрод "С". Для изд!бне^ ния ВАХ в обратном направлении чараз управляющий, электрод относительно электрода Б пропускают заданное количество электричества в обратном направлении. Для изготовления данного элемента разработан технологический процесс, в которой представлена последовательсность послойного получения слоев'структуры•

Рассмотрен и предложен механизм управления гетеропереходов на основа ТЭД/5? : экспериментальное изучение структур

показали, что изменение концентрации ионов серебра в теллури-де серебра А^/З1б через контакт а^ътб/нб&д^хв меняет не только ионную проводимость, но и ее электронную составляющую. Это следует также из условия соблюдения электронейтральности, . т.е. величина плотности положительного заряда должна быть равна концентрации отрицательного заряда А/Ад+р-^ + п » где р и П - концентрации дырок и электронов, - полная концентрация положительных ионов серебра (т.е. подвижных и неподвижных), - концентрация отрицательно заряженных ионов теллура. В то же время, из теории полупроводников известно, что величина контактной разности потенциалов ^ и ширина обедненной области Ь0ъ в области гетероперехода должны определяться концентрацией ионов. Это, в частности, еле,дует из соотношения (6), если в а/э входит концентрация ионов серебра:

где Со = 8,86 10 м , д - заряд электрона, <5 - относительная диэлектрическая проницаемость материала с большим удельным сопротивлением, Д/^ - эффективная концентрация примесных ионов е той же области.

Если имеет проводимость р -типа, т.е. легирован акцепторами с концентрацией а/а , теллурдд серебра проводимость П - типа и концентрацией ионов серебра равна Л^., то анализ схемы перехода рис.12 показывает, что из условия электронейтральности в переходе суммарный заряд в условиях равновесия должен быть равен кулю, т.е.

А/а1р Л/АдЬа , Ше (7)

из (7) и соотношения (6) следует, что изменение концентрации ионов серебра должно изменить размер обедненной области.

Так как из (6): ~ 1/Мэ и поскольку он входит в выражение (5) I а оно, в свою очередь, в аппроксимирующую функцию (4), имеем

, откуда вытекает качественное объяснение механизма управления ВАХ при инжекции (экстракции) ионов серебра, что и подтверждается экспериментально. Яри уве-_ личении /Цр - экстракции ионов Ад в переходе Бс'-п¡/\д2)1Ъ-р величина тока увеличивается , при смене типа полупроводника Ъ1~р увеличение Л/э привод к уменьшению Т , что и подтверждается экспериментально.

Разработанная подупроводниковая структура с управляемыми

нелинейными ВАХ имеет, однако, относительно длительное время,

управления, определяемое, как: / , ,

Туар-Тус. +Ъуст.

где ¿ус. - длительность подачи управляющего сигнала - определяет количество электричества ( которое необходимо пропустить через цепь управления для получения заданной ВАХ и находится в пределах 14-Ю мин.; "¿уст, - время установления, исчисляемое сразу после окончания Ьу.с, и до момента стабилизации ВАХ, данная конструкция обеспечивает tycfn~ 160 мин. Такое длительное время установления связано с тем, что после окончания £у.с. идет процесс самодиффузии ионов металла Ад до всему объему слоя халькогенида серебра и, в частности, в область контакта его с полупроводниковой подложкой, где и образован гетеропереход за время tycm , которое подчиняется закону tycm ~I?¡1) , где Ь - расстояние от золотого электрода (4) до области гетероперехода, не подверженное элек-тродаффузяи, -О - коэффициент диффузии. В связи с этим была разработана и реализована конструкция тонкодленочной полупроводниковой структуры с управляемыми ВАХ (рис.II), в которой инжектируемые ионы металла сразу же после инжекции оказываются в той части халькогенида серебра, который непосредственно контактирует с полупроводниковой подложкой. При этом распределение концентраций основных носителей заряда будет равномерным в любой части слоя халькогенида серебра е следствии того, что уже в процессе ^¡/.с. происходят равномерное распределение основных носителей заряда за счет эдектродиффузии. Данная конструкция обеспечивает мин., что более чем на лорядок сокращает общее время управления.

ощйе вывода

1. Синтезированы теллуриды а сульфиды Ад2+§$ серебра и получены тонкие пленки этих Ееществ методом термического вакуумного напыления. Установлено, что пленки .теллури-да серебра в отличие от сульфида серебра, из-за нарушения стехиометрии исходного образца, имеют дырочную проводимость.

2. Термическая ширина запрещенной зоны составила 0,22-0,26эВ и 1,12-1,18эВ соответственно для пленок Ад^+ьГе

и , Показана экспоненциальная зависимость .электро-

проводности исследуемых пленок халькогенидов серебра от температуры со .значением ТКВ,, равным соответственно для теллура и сульфида серебра: -4,5 Ю-2 к-1 и -7,0 Ю^к"1.

3. Показана лучшая сохраняемость параметров при герметизации пленок в среде аргона. При этом уход удельного сопротивления составил +10$ на Еоздухе за 1000 часов, а в среде аргона за 4000 часов.

4. Проведены оптические исследования пленок, твллурида серебра в диапазоне длин волн Х= 0,75-2мкм. Вычислена оптическая ширина запрещенной зоны, которая меняется в зависимости от состава исследуемых пленок,и при изменении удельного сопротивления пленок от 0,18 до 0,74 Ом см величина оптической ширины запрещенной зоны увеличивалась от 0,57 до 0,63эВ.

5. Разработана технология получения тонких пленок, веществ сложно-композиционного состава.

Проведен рвнтгенофазовый анализ полученных пленок ТЭЛ сложно композиционного состава:

АрРО^О,0Т5 Ш

( А^5)о,ся (Ад1,7Те)0/2ае(А£1В,Ог)о,ои> (2)

Подтверждена однофазность объемных образцов и их пленок.

Проведены исследования полученных пленок. Пленки имеют проводимость -типа, порядок значений удельных сопротивлений соответствует удельному сопротивлению массивных образцов.

Температурная зависимость проводимости композитов подчиняется уравнению для примесного полупроводника. Найдены величины энергии активации собственной й Е и примесной лЕ,, проводимости:

4 0,075эВ, д£)^;=0,053эв

ьЕ (гГ 0.14ЭВ, йЕ1(гГЪ,ШъЪ

Изменения удельной проводимости пленок (1,2) составили не более +2% за 4000 часов хранения на воздухе.

6. Рассмотрены еопросы технологической и конструкторской подготовки кремниевых подложек1 с целью использования их в едином технологическом цикле при создании тонкопленочных гетеропереходов на основе ионных и ионно-электронных проводников. Исследована поверхность кремниевых подложек на растровом элек-

тронном макроевone BS -500. Установлено время, необходимое для стравливания естественной сжисной пленки в HF кислоте, равное i= 60с. Предложено устройство для временной герметизации создаваемого образца, позволяющее прервать технологический процесс и временно завакуумировать образец. Предложены прецизионч нов и магнитное контактные устройства, позволяющие задать давление прижима контактов на исследуемый "образец, и произвести оперативные измерения. Предложен метод получения омического контакта M/Si путем лазерного вжигания импульсом ОКГ А(

7. Разработана конструкция гонкопленочной гетероструктуры на основе Si /ТЭЛ. и технологический процесс ее изготовления, проведены операции межоперационной и финишной очистки, произведена отработка режимов формирования тонких пленок на поверхности подложки.

8. Реализованы тонкопленочные полупроводниковые гетероперехода на основе Si (КсФ), Si (КДБ) и AfetfX( Х= $,Те ), имеющие характерные для полупроводниковых выпрямляющих элементов нелинейные ВАХ.

9. Проведены электрофизические исследования реализованных структур.

Температурные исследования показали увеличение значений прямых и в незначительной степени обратных токов при увеличении температуры. ,

Исследована стабильность отческого Ac/Si и дифференциального Si /ТЭЛ сопротивлений во времени. Показано их резкое ухудшение при хранении в открытой атмосфере. Достигается лучшая стабильность при хранении в среде аргона, которая составила для гетероперехода Si-njH^^fe +10% за 2500 часов.

Проведены фотоэлектрические исследования реализованных гетеропереходов в диапазоне Е^ 100-600лк. В фотодиодном режиме фототек линейно растет, а обратные токи практически не зависят от приложенного напряжения. В фотовольтаическом режиме фоток растет с увеличением освещенности, что хорошо согласуется с аналогичными характеристиками кремниевых фотодиодов.

В результате теоретических и экспериментальных исследований тонкопленочных гетеропереходов на основе Si tf Ад&ъХ выбраны аппроксимирующие функции для их ВАХ, тока насыщения, которые подчиняются экспоненциальному закону и найдбны их основные параметры.

10. Реализованы и исследованы тонкопланочные гетероперехода на основе теллурида серебра ( Ад%Ие ), позволяющие на порядок увеличить (или уменьшить) величину электропроводности, в зависимости от количества электричества, пропущенного через электрическую цепь управления.

Предложены, реализованы и исследованы тонкопленочные SC-струятуры с управляемыми распределенными однородными параметрами, использующие явление перестройки за счет использования в них ионных и ионно-эдектронных проводников, позволяющих изменить (увеличить или уменьшить) постоянную времени структуры до 4-х порядков.

Предложены и реализованы тонкопленочные PC-структуры с ' управлявший распределенными неоднородными параметрами, также использующие явления перестройки, но за счет электрохимического осаждения или снятия металлического слоя с поверхности распределенного резистивного слоя.

11. Предложены, реализованы и исследованы тонкопленочные управляемые нелинейные полупроводниковые структуры на основе кремния, ионных, ионно-эдектронных проводников, состоящих из гетеропереходов с нелинейными: Si/Aß?tsX и с управляемыми линейными ВАХ: Aa/Äg^X/m^Js/Ag. Принципиальной особенностью реализованных структур с линейными и нелинейными управляемыми ВАХ является то, что данные структуры являются системами с памятью, т.е. заданные концентрации ионов и электронов, а следовательно и ВАХ сохраняются до подачи очередного управляющего сигнала, причем, заданное состояние сохраняется без потребления энергии по цепи управления.

Предложены и реализованы тонкопленочные управляемые полупроводниковые структуры с нелинейными ВАХ, позволяющие более чем на два порядка сократить время управления их характеристиками.

Основное содержание диссертации изложено в работах:

I. Алимова P.A., Салихов И.А., Галеева Л.Х., Агафонова Г.М. Методика исследования неоднородности электропроводности и дефектности резистивннх пленок сканированием их оптической. плотности. - В кн.: Тезисы докладов Всесоюзной НТК -Теория и практика конструирования и обеспечения надежности и

качества электронной аппаратуры и приборов". Воронеж. Радио и связь, 1984г., 4с. . ,

2. Нигматуллин Р.Ш., Насыров И.К., Карамов Ф.А., Салихов И.А. Ионная и электронная проводимость суперионных проводников и возможности их применения в электронике. - В*кн.: Материалы докладов ill Научного семинара "Ионика твердого тела", ВГУ, Вильнюс, 1984г., 4-6с.

3. A.c. HII42I2 (СССР). Управляемый полупроводниковый нелинейный элемент /Нигматуллин Р.Ш., Карамов Ф.А., НасыроЕ И.К Салихов И.А., Урманчеев Л.М., 1984г., 7с., ДСП.

4. А.С.Ж256584 (СССР). Управляемая RG-структура с распределенными параметрами /Нигматуллин Р.Ш., Салихов И.А., Насыров И.К., Карамов Ф.А., 1986г., 2с., ДСП,

5. A.C.BI256585 (СССР). Управляемая ВС-структура с распределенными параметрами /Карамов Ф.А., Нигматуллин Р.Ш., Салихов И.А., Урманчеев Л.М., 1986г., Зс., ДСП.

6. Нигматуллин Р.Ш., Карамов Ф.А., Насыров И.К., Сали-хое И.А. Исследование электрических характеристик гетеропереходов ка твердых электролитах и возможности построения функциональны;; элементов на их основе. - В кн.: "Тезисы 37-го Совещания Международного электрохимического общества". Вильнюс, СССР, ВИНИТИ, Москва, 1986г., Зс.

7. Нигматуллин Р.Ш., Насыров И.К., Салихов И.А., Карамов Ф.А. Гетероперехода на основе твердых электролитов и элементы функциональной микроэлектроники на их основе. - В кн.: "Тездсн докладов X Всесоюзной конференции по молекулярной электронике. Информэлектро, Москва, 1986г., 2с.

8. Нигматуллин Р.Ш,, Насыров И.К., Салихов H.A., Карамов Ф.А, Экспериментальные исследования гетеропереходов на основе твердого электролита и кремния. - Электрохимия, 1987г., т.23, Jä, Зс.

9. А.с.й1431565 (СССР), Переключающий элемент /Салихов И.; Карамов Ф.А., Габитов И.Я., 1988г., 6с., ДСП.

10. Нигматуллин Р.Ш., Карамов Ф.А., Салихов И.А,, Насыров U.K., Электрические, оптические и фотоэлектрические исследования структур на основе твердых электролитов переменного состава. - В кн.: Тезисы докладов IX Всесоюзной конференции по физической химии и ионных расплавов и твердых электролитов. Ин ститут электрохимии УрО АН СССР, Свердловск,•1987г., 2с.

11. Нигматуллин Р.Ш., Карамов Ф.А., Салихов И.А», Насы-ров И.К. Физико-химическиа свойства супарионных проводников и гетеросгруктур на .их основе. - В кн.: Тезисы докладов ХП Всесоюзной научной конференции по микроэлектронике. Тбилиси, 1987г., 2с., ДСП.

12. А.С.Щ672876 (СССР). Способ лазерной резки хрупких подложек /Салихов И.А., Колесникова Л.И. 1992г., 2с., ДСП.

13. Нигмагуллин Р.Ш., Карамов Ф.А., Насыров И.К., Салихов И.А. Электрические и оптические свойства ионных и донно-электронных проводников и их гетероструктур с полупроводниковыми материалами. - В кн.: Тезисы Ш Всесоюзного симпозиума "Твердые электролиты и их аналитическое применение", Минск, 1990г., 2с.

14. Салихов Й.А., Насыров И.К., Карамов Ф.А., Нигматул-лин Р.Ш. Электрические свойства гетероструктур на основе полупроводниковых материалов и ионно-эдектронных проводников, -

-В кн.: Тезисы докладов Всесоюзной школы по электрохимии. Том I, Институт электрохимии УрО АН СССР, 1991г., Зс.

15. Юшина Д.Д., Салихов И.А., Насыров И.К., Карамов Ф.А. Электрические свойства тонких пленок: (/\gsSz)o РО^)В » fdfeSÀTejtfAg^QOjjç.- В кн.: Тезисы докладов X конференции по физической химии и электрохимии ионных расплавов и твердых электролитов. Институт электрохимии УрО РАН,:1992г., 2с.

16. Салихов И.А., Плаксии C.B., Ювдна Л.Д. Получение тон-кях.:пленок композитов, синтезированных из солей серебра.

- В кн.: Тезисы докладов X конференции. Институт электрохимии УрО АН РАН, 1992г., 2с.

I". Юшина Л.Д., Салихов И.А. Свойства тонких пленок композитов, содержащих халькогениды серебра. Расширенные тезисы IX Международной конференции по ионике твердого тела. - В кн.: "ssj 12-17 сент.1993г., Нидерланды, P-I27, 5с.

18, Юшина Л.Д., Салихов И.А., Плаксин Л.Д. Свойства тонких пленок композитов, содержащих халькогениды серебра. -

- В журнале: "Поверхность. Физика. Химия. Механика", 1993г., MI, 78-82с.

Тдец1

Тип геттге-де/>£хаа4 7Ь w »fr Re, A.«,' MS TX

¿¡feS/Si-fi* Iteue /2*3 feáii KS- YS

qeaTZ ti (g tt/f eso - >n

ApS/ы-Г 40/rr a<¡i 4sJ Toa -

qezsQ tj4,e 7CV - 3Z

t<z sso XMñ

<¡C'f ÓJ-ff 1/3

гоо Зоа 4оо "ЦнЦ

Рас. 9

Sup

\lkmsm 1 ц'ш

Lf

m «C

L,s ----"t--

пис. -й.

Pvc.H

Формат 60x84 Бумага для множит.адпаратов.Пачать офсетная

Печ.л.1,5. Усл.леч.л.1,39. Усл.кр.-отт.1,39.Уч.-изд.л.1,0, Тираж 60. Заказ р£22/Р 44 . для служебного пользования.

Казанский государственный технический университет им.А.Н.Туполева,

Ротапринт Казанского государственного технического университет

им.А.Н.Туполева 420111, Казань, К.Маркса, 10,