Фотоэлектрические свойства нитрида алюминия

ионного травления не вполне корректен. Даже малые концентрации кремния в

нитриде алюминия нарушали кристалличность материала и приводили к

образованию ?-AlN с другими параметрами решетки. Легирование

монокристаллических слоев с целью повышения проводимости затруднено.

[pic]

Рисунок 1.3.2. Распределение элементов в слое нитрида алюминия по

результатам Оже-спектроскопии [14].

ГЛАВА 2. Получение нитрида алюминия и методика экспериментов.

2.1. Получение пленок AlN.

Ионно-химическое распыление. Эта технология используется для осаждения

различных оксидов (SiO2), нитридов (AlN, Si3N4, TiN) и карбидов (SiC, TiC).

В основу положено распыление мишени в реакционном газе и протекание реакций

с образованием соединений на поверхности мишени, на подложке или в

пространстве “мишень-подложка”, где вероятность последнего мала. Два других

процесса могут протекать одновременно. Скорость осаждения и доля газовой

компоненты в пленке в сильной степени зависят от изменения потока

реакционного газа. Обычно выделяют три области: область малых потоков,

область больших потоков и переходная область в которой возникают

гистерезисные петли, где зависимость параметров разряда от потока газа

становится неоднозначной, и зависящей, к тому же, от направления изменения

потока. В этом случае процесс становится нестабильным, что приводит к

осаждению слоев неоднородного состава и с невоспроизводимыми свойствами.

Избавиться от этого нежелательного эффекта можно двумя способами. В первом

случае процесс осаждения ведут в условиях повышенных потоков реакционных

газов, обеспечивающих образование сплошного слоя соединения на

металлических мишенях. Такие режимы отличаются стабильностью и высокой

воспроизводимостью свойств осаждаемых пленок. Другим способом является

введение обратной связи по потоку реакционного газа.

Принцип действия магнетронной распылительной системы иллюстрирует рис.

2.1.1. Основными элементами устройства являются катод-мишень, анод и

магнитная система. Силовые линии магнитного поля замыкаются между полюсами

магнитной системы. При подаче постоянного напряжения между мишенью и анодом

возникает неоднородное электрическое поле и возбуждается аномальный тлеющий

разряд. Наличие замкнутого магнитного поля у распыляемой поверхности мишени

позволяет локализовать плазму разряда непосредственно у мишени.

Эмитированные с катода электроны захватываются магнитным полем, и им

сообщается сложное циклоидальное движение по замкнутым траекториям у

поверхности мишени. Электроны оказываются в ловушке создаваемой с одной

стороны магнитным полем, возвращающим электроны на катод, а с другой -

поверхностью мишени, отталкивающей их. В этой ловушке электроны циклируют

до тех пор пока не произойдет несколько ионизирующих столкновений, в

результате которых электрон теряет полученную от электрического поля

энергию. Таким образом, большая часть энергии электрона прежде чем он

попадает на анод, используется на ионизацию и возбуждение, что значительно

увеличивает эффективность процесса ионизации и приводит к возрастанию

концентрации положительных ионов у поверхности мишени. Это в свою очередь

обусловливает увеличение интенсивности ионной бомбардировки мишени и

значительный рост скорости распыления, а следовательно, и скорости

осаждения пленок. Помимо этого МРС обладает рядом специфических свойств,

основными из которых являются снижение рабочего давления, а также

отсутствие бомбардировки подложки высокоэнергетическими вторичными

электронами.

В результате были получены образцы, конфигурация которых представлена

на рисунке 2.1.2.

|[pic] |

| |

|Рис. 2.1.1. Механизм ионно-плазменного распыления нитрида алюминия в |

|магнетронной распылительной системе. |

[pic]

Рисунок 2.1.2. Конфигурация образца нитрида алюминия. (Размеры даны в

миллиметрах)

1—контактол; 2 – пленка нитрида алюминия; 3 – алюминиевые контакты

2.2. Измерение вольт-амперных характеристик.

Измерения вольт-амперных характеристик проводились с помощью

установки, электрическая схема которой приведена на рисунке 2.2.1.

Установка состоит из следующих элементов:

Образец, помещенный в измерительную головку;

Регулятор напряжения;

Источник постоянного напряжения на базе источника постоянного тока Б5-50;

Вольтметр-электрометр универсальный В7-30;

Исследуемый образец помещается в специально сконструированную

измерительную головку (рис. 2.2.2.) Измерительная головка конструктивно

состоит из двух частей: верхней и нижней.

Верхняя часть головки содержит контакты для подачи питания на

образец и площадку для образца.

Нижняя часть служит как разветвитель входящих и выходящих проводов.

Как известно, уровень тока через фоторезистор на основе AlN очень

низкий из-за большого удельного сопротивления материала, а это требует

особых условий для измерения светового, а особенно темнового тока

фоторезистора Необходимо свести к минимуму влияние внешних

электромагнитных полей и токов утечки в измерительной головке. Защита от

внешних электромагнитных полей обеспечивается экранировкой проводов,

заземлением стального корпуса головки с защитными металлическими крышками.

Для защиты от токов утечки используется фторопласт, который практически не

дает токов утечки.

Для измерения уровня токов, в качестве токового прибора используется

вольтметр-электрометр В7-30, диапазон измерения токов которого 10-15 — 10-7

А, а внутреннее сопротивление данного прибора на всех пределах измерения не

превышает одного мегаома. Таким образом, во всем диапазоне измерения токов

падением напряжения на приборе можно пренебречь.

ВАХ снимались при различных полярностях постоянного напряжения и при

разной степени освещенности.

[pic]

Рисунок 2.2.1. Электрическая схема установки для измерения вольт-амперных

характеристик.

1 – источник ультрафиолетового излучения; 2 – измерительная головка с

образцами; 3 – источник постоянного напряжения; 4 – электрометр.

[pic]

Рисунок 2.2.2. Чертеж измерительной головки

2.3. Измерение спектральных характеристик.

Экспериментальная установка для снятия спектральных характеристик

фоторезистора на основе нитрида алюминия собрана на базе монохроматора МДР-

2. Рабочий диапазон спектра — 200-600 нм — обеспечивался дифракционной

решеткой с числом штрихов 1200 на 1 мм. Для срезания спектров высшего и

низшего порядков использовался светофильтр БС-5 в области спектра от 360 до

600 нм.

Блок-схема установки для измерения спектральной зависимости

проводимости нитрида алюминия показана на рис. 2.3. Схема состоит из

следующих элементов:

5. И — источник излучения;

6. Л1, Л2 — фокусирующие линзы;

7. Ф — светофильтр;

8. Щ — входная и выходная щели;

9. 1 — монохроматор МДР-2, обратная линейная дисперсия 2 нм/мм;

10. 2 — образец, помещенный в измерительную головку;

11. 3 — вольтметр-электрометр В7-30;

12. 4 — самописец.

[pic]

Рисунок 2.3. Блок-схема установки для измерения спектральных характеристик.

Источником излучения, которое после некоторых преобразований попадает

на образец, служит водородная лампа ДВС-25.

Для проектирования излучения на щель монохроматора служит

двухлинзовый конденсатор с фокусным расстоянием 106 мм и световым

диаметром 52 мм.

У входа и выхода монохроматора расположены соответственно входная и

выходная щели, находящиеся на одной прямой. Щели монохроматора

симметричные, с переменной шириной раскрытия в пределах от 0 до 4 мм с

точностью до 0.01 мм. Перед образцом стоит линза для направленной

фокусировки монохроматического света на образец.

2.4. Измерение зависимости фотопроводимости от интенсивности падающего

излучения.

Экспериментальная установка для исследования зависимости

фотопроводимости нитрида алюминия от интенсивности падающего излучения была

собрана на основе вольтметра типа В7-30 и датчика мощности падающего

излучения. Интенсивность падающего излучения варьировалась путем изменения

расстояния от водородной лампы до измерительной головки с образцом.

Схема установки приведена на рисунке. 2.4.1., где

13. 1 — источник излучения (водородная лампа ДВС-25);

14. 2 — светофильтр БС-7;

15. 3-- измерительная головка с образцом;

16. 4 — линейка с делениями.

Для градуировки мощности падающего излучения была собрана установка,

состоящая из датчика мощности падающего излучения и вольтметра типа Ф18.

Излучение, пройдя через светофильтр, фиксировалось датчиком и вольтметром.

Интенсивность излучения также регулировалась путем изменения расстояния

между лампой и датчиком. Градуировочная таблица приведена ниже. Мощность

излучения вычислялась по градуировочной формуле:

[pic]

[pic]

Рисунок 2.4.1. Схема установки для измерения зависимости фотопроводимости

нитрида алюминия от интенсивности падающего излучения.

1 – источник ультрафиолетового излучения; 2 –светофильтр БС-7; 3 –

измерительная головка с образцами; 4 – линейка.

Чтобы определить мощность излучения, которое создает фотопроводимость

нитрида алюминия, измерения были проведены для двух случаев — при наличии

фильтра и без него. Интенсивность излучения была рассчитана как их

разность.

Таблица 2.4.1. Градуировочная таблица для снятия зависимости

фотопроводимости нитрида алюминия от интенсивности падающего излучения.

|Расстояние |Показания |Показания |Интегральная |Мощность |

|от |вольтметра при|вольтметра без|мощность |излучения, |

|источника |наличии |светофильтра |излучения, |со |

|излучения, |светофильтра |U2, мкв |(без |светофильтром |

|L, см |U1, мкв | |светофильтра) |мкВт |

| | | | | |

| | | |мкВт | |

|0 |42 |24 |33,6 |19,2 |

|2.3 |13 |6 |10,4 |4,8 |

|4.1 |6.5 |3.8 |5,2 |3,04 |

|6.4 |2.6 |1.6 |2,08 |1,28 |

|8.5 |1.4 |0.4 |1,12 |0,32 |

|10.7 |0.5 |0.1 |0,4 |0,08 |

|12.9 |0.1 |0.02 |0,08 |0,016 |

|14.9 |0.04 |0 |0,032 |0 |

|17 |0.02 |0 |0,016 |0 |

|18.8 |0 |0 |0 |0 |

ГЛАВА 3. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

3.1. Вольт-амперные характеристики.

3.1.1. Темновая вольт-амперная характеристика

Темновая вольт-амперная характеристика нитрида алюминия была получена

с помощью установки, описанной в главе 2. Напряжение изменялось в диапазоне

от 0 до 100 В. Результаты для двух полярностей приложенного напряжения

приведены в таблицах 3.1.1.1. и 3.1.1.2.

Как видно из графиков (рис. 3.1.1.1. и 3.1.1.2.), темновая вольт-

амперная характеристика линейна, лишь при малых напряжениях наблюдается

некоторая нелинейность, что объясняется поликристаллической структурой

образца нитрида алюминия.

Из угла наклона прямого участка ВАХ можно рассчитать темновую

проводимость образца AlN, а учитывая геометрию образца, можно рассчитать

удельную проводимость.

[pic] , где

l – длина образца; RТ – темновое сопротивление, рассчитанное из вольт-

амперной характеристики ; D – ширина и h – толщина пленки нитрида алюминия.

Исходя из этих данных, можно определить удельную проводимость

образцов.

Зная удельную проводимость материала и подвижность носителей заряда,

можно рассчитать концентрацию носителей заряда в образце.

[pic], где

n – концентрация носителей заряда в материале; ?n – подвижность электронов.

Согласно литературным данным, подвижность [pic] [6].

Из результатов исследований видно, что удельная проводимость

исследуемых образцов практически однородна по площади, и незначительно

изменяется от образца к образцу, что указывает на хорошую воспроизводимость

технологии.

Линейность вольт-амперных характеристик при больших напряжениях, а

также тот факт, что они практически совпадают при изменении полярности

прикладываемого напряжения, говорит о том, что алюминиевые контакты,

нанесенные на поверхность образцов можно считать омическими.

Таблица 3.1.1. Результаты измерений темновых вольт-амперных характеристик

образцов нитрида алюминия

|Образцы |Сопротивление Ом|Удельная |Концентрация |

| | |проводимость, |носителей, м-3 |

| | |ом-1 м-1 | |

|Образец №1 |4.47 1014 |0.26 10-8 |0.116 1014 |

|Образец №2 |6.19 1013 |0.27 10-7 |0.11 1014 |

|Образец №3 |6.81 1013 |0.243 10-8 |0.1 1014 |

[pic]

Рисунок 3.1.1.1. Темновая вольт-амперная характеристика образца нитрида

алюминия (образец №1) при различных полярностях приложенного напряжения.

[pic]

Рисунок 3.1.1.2. Темновая вольт-амперная характеристика образца нитрида

алюминия (образец №2).

3.1.2. Вольт-амперные характеристики нитрида алюминия при освещенности

Вольт-амперные характеристики нитрида алюминия при освещенности

снимались при помощи установки, описанной в главе 2. Результаты измерений

приведены в таблицах 3.1.2.1. и 3.1.2.2. Измерения проводились при мощности

падающего излучения – 21.4 мкВт

Сравнивая темновую ВАХ образца и ВАХ при полной освещенности, мы можем

определить:

фотопроводимость материала;

коэффициент умножения фототока;

концентрацию неравновесных носителей заряда.

Фотопроводимость нитрида алюминия при освещении рассчитывается также

как и его темновая проводимость, только вместо темнового сопротивления Rт,

в формулу для расчета подставляется сопротивление при освещенности Rсв.

Кратность изменения сопротивления определяется как отношение темнового

сопротивления образца к его сопротивлению при освещении.

[pic], где

RT – темновое сопротивление образца, Rсв – его сопротивление при

освещении.

Коцентрация неравновесных носителей заряда определяется из значения

фотопроводимости образца и подвижности носителей заряда:

[pic], где

?св – фотопроводимость образца, ?n – подвижность носителей заряда в

материале. Результаты расчетов приведены в таблице 3.1.2.7.

Таблица 3.1.2.1. Вольт-амперная характеристика образца нитрида алюминия при

освещенности (образец №1)

|U, B |I, А |R, Ом |

|0 |0,00E+00 | |

|5 |9,55E-11 |5,24E+10 |

|10 |1,97E-10 |5,09E+10 |

|20 |4,02E-10 |4,98E+10 |

|30 |6,04E-10 |4,97E+10 |

|40 |8,10E-10 |4,94E+10 |

|50 |1,05E-09 |4,75E+10 |

|60 |1,26E-09 |4,75E+10 |

|70 |1,48E-09 |4,72E+10 |

|80 |1,69E-09 |4,72E+10 |

|90 |1,91E-09 |4,7E+10 |

|100 |2,13E-09 |4,69E+10 |

Таблица 3.1.2.2. Вольт-амперная характеристика образца нитрида алюминия при

освещенности (образец №1) (противоположная полярность приложенного

напряжения).

|U, B |I, А |R, Ом |

|0 |0,00E+00 | |

|5 |9,36E-11 |5,34E+10 |

|10 |1,96E-10 |5,11E+10 |

|20 |4,04E-10 |4,95E+10 |

|30 |6,12E-10 |4,9E+10 |

|40 |8,23E-10 |4,86E+10 |

|50 |1,07E-09 |4,66E+10 |

|60 |1,28E-09 |4,68E+10 |

|70 |1,48E-09 |4,72E+10 |

|80 |1,70E-09 |4,7E+10 |

|90 |1,93E-09 |4,66E+10 |

|100 |2,16E-09 |4,62E+10 |

Таблица 3.1.2.3. Вольт-амперная характеристика образца нитрида алюминия при

освещенности (образец №2).

|U, B |I, А |R, Ом |

|0 |0,00E+00 | |

|5 |8,95E-11 |5,59E+10 |

|10 |1,96E-10 |5,12E+10 |

|20 |4,26E-10 |4,7E+10 |

|30 |6,64E-10 |4,52E+10 |

|40 |9,07E-10 |4,41E+10 |

|50 |1,17E-09 |4,27E+10 |

|60 |1,42E-09 |4,22E+10 |

|70 |1,66E-09 |4,21E+10 |

|80 |1,90E-09 |4,21E+10 |

|90 |2,15E-09 |4,18E+10 |

|100 |2,39E-09 |4,18E+10 |

Таблица 3.1.2.4. Вольт-амперная характеристика образца нитрида алюминия при

освещенности (образец №1) (противоположная полярность приложенного

напряжения).

|U, B |I, А |R, Ом |

|0 |0,00E+00 | |

|5 |8,73E-11 |5,73E+10 |

|10 |1,89E-10 |5,31E+10 |

|20 |4,10E-10 |4,88E+10 |

|30 |6,44E-10 |4,66E+10 |

|40 |8,83E-10 |4,53E+10 |

|50 |1,15E-09 |4,33E+10 |

|60 |1,40E-09 |4,28E+10 |

|70 |1,64E-09 |4,26E+10 |

|80 |1,88E-09 |4,25E+10 |

|90 |2,12E-09 |4,24E+10 |

|100 |2,36E-09 |4,23E+10 |

Таблица 3.1.2.5. Вольт-амперная характеристика образца нитрида алюминия при

освещенности (образец №3).

|U, B |I, А |R, Om |

|0 |0,00E+00 | |

|5 |8,64E-11 |5,78E+10 |

|10 |1,88E-10 |5,31E+10 |

|20 |4,09E-10 |4,88E+10 |

|30 |6,38E-10 |4,7E+10 |

|40 |8,72E-10 |4,58E+10 |

|50 |1,12E-09 |4,46E+10 |

|60 |1,37E-09 |4,37E+10 |

|70 |1,59E-09 |4,4E+10 |

|80 |1,83E-09 |4,37E+10 |

|90 |2,07E-09 |4,34E+10 |

|100 |2,30E-09 |4,35E+10 |

Таблица 3.1.2.6. Вольт-амперная характеристика образца нитрида алюминия при

освещенности (образец №1) (противоположная полярность приложенного

напряжения).

|U, B |I, А |R, Om |

|0 |0,00E+00 | |

|5 |9,34E-11 |5,35E+10 |

|10 |2,02E-10 |4,96E+10 |

|20 |4,38E-10 |4,57E+10 |

|30 |6,89E-10 |4,36E+10 |

|40 |9,45E-10 |4,23E+10 |

|50 |1,23E-09 |4,05E+10 |

|60 |1,50E-09 |3,99E+10 |

|70 |1,75E-09 |3,99E+10 |

|80 |2,01E-09 |3,97E+10 |

|90 |2,27E-09 |3,96E+10 |

|100 |2,53E-09 |3,95E+10 |

Таблица 3.1.2.7. Результаты измерений вольт-амперных характеристик образцов

нитрида алюминия при освещении.

|Образцы |Сопротивление|Удельная |Кратность |Концентра-ция|

| |Ом |проводимость, |изменения |неравновесных|

| | |ом-1 м-1 |сопротивлени|носителей, |

| | | |я |м-3 |

|Образец №1|4.47 1010 |0.26 10-4 |104 |0.116 1018 |

|Образец №2|4.4 1010 |0.55 10-4 |1.4 103 |0.24 1018 |

|Образец №3|4.3 1013 |0.243 10-4 |1.58 103 |0.1 1018 |

Полученные результаты позволяют судить о качестве контактов и

воспроизводимости свойств материала.

Из графиков, представленных на рисунках 3.1.2.1 – 3.1.2.4. видно, что

вольт-амперные характеристики образцов при смене полярности приложенного

напряжения на противоположное практически совпадают, из чего можно сделать

вывод о том, что фотоэлектрические свойства материала мало изменяются от

образца к образцу, а алюминиевые контакты можно считать омическими.

Кратность изменения сопротивления для разных образцов находится в

Страницы: 1, 2, 3