Электретный эффект в структурах Si-SiO2 и Si-SiO2-Si3 N4

-2-
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.............................................................
ГЛАВА I. Обзор литературы............................................
§1.1 Строение и электрофизические свойства слоев 5/02 и .
§1.2 Механизмы накопления и релаксации заряда в структурах
5/-5/02 и 5/-5/02-5/іЛ4.....................................
§1.3 Поверхностные зарядовые состояния и электрически активные дефекты в структурах 5/-5/02 и $і-5і02-$ізЬГ4...............
§ 1.4 Исследование электретного эффекта в структурах 5/-5/02 и
5/-5/0 2_5$N4...............................................
§ 1.5 Возможность практического применения структур 5/-5/02 и 5/-5/02-5/іЛт^ в качестве активных элементов субминиатюр-
ных электретных микрофонов..................................
ГЛАВА И. Формирование электретных структур 5/-5/02 и
5/-5/02~5/ 5А/4...........................................
§2.1 Технологические особенности изготовления структур 57-5/02
и 5/-5/02-5тМ...............................................
§2.1.1 Получение слоев диоксида кремния термическим окислением кремниевой подложки...................................
§2.1.2 Плазмохимическое осаждение диоксида кремния...........
§2.1.3 Пиролитическое осаждение нитрида кремния (силано-
Г>¥ ТТХ Ж гА
і*А Ч* 4 С/Д у. . . ....... ... ..................
§2.1.4 Получение слоев нитрида кремния ВЧ-реактивным магнетронним распылением кремниевой подложки....................
§2.2 Формирование электретного состояния в исследуемых
структурах..................................................
§2.2.1 Электризация образцов: общие вопросы..................
§2.2.2 Электризация образцов в коронном разряде..............
6
12
12
15
22
27
32
35
35
35
39
л л
45
48
48
49
-3-
§2.3 Изотермические исследования релаксации поверхностного
потенциала................................................. 51
§2.3.1 Оборудование для измерения поверхностного потенциала....................................................... 54
§2.3.2 Изотермические исследования релаксации потенциала
электретных структур Бі-БіОг и 55
ГЛАВА III. Методика комплексных исследований физических процессов в электретных структурах Зі-ЗЮг и 65
§3.1 Постановка задачи......................................... 65
§3.2 Термоактивационная спектроскопия.......................... 66
§3.2.1 Методы термоактивационной спектроскопии.............. 66
§3.2.2 Термодеполяризационный анализ........................ 67
§3.2.3 Методика обработки данных термоактивационной спектроскопии................................................... 72
§3.2.4 Экспериментальное оборудование для исследования материалов методом термостимулированной релаксации потенциала.............................................. 75
§3.2.5 Обработка экспериментальных результатов термостимулированной спектроскопии.................................. 77
§3.3 Исследование структур методом низкочастотного структурного внутреннего трения........................................ 80
§3.3.1 Схема установки для исследования образцов методом
внутреннего трения.................................... 83
§3.3.2 Методика обработки экспериментальных данных ВТ 85
§3.4 С Г-характеристики: общая методика........................ 86
§3.4.1 Обогащенный, обедненный и инверсный слои............. 86
§3.4.2 Вольт-фарадная характеристика МДП-структуры 88
§3.4.3 Оценка параметров инжектированного заряда методом
С Г-характеристик..................................... 93
-4-
§3.4.4 Описание экспериментальной автоматизированной установки емкостной спектроскопии............................. 96
§3.5 Исследование слоев исследуемых структур методом ИК-
Фурье спектроскопии......................................... 97
§3.5.1 Основные положения ИК-спектроскопии................. 98
§3.5.2 Описание экспериментальной установки ИК-
спектроскопии......................................... 100
§3.6 Подготовка образцов для исследований методами,
используемыми в работе.................................... 101
ГЛАВА IV. Экспериментальные результаты и их анализ.................. ЮЗ
§4.1 Анализ ИК-спектров слоев исследуемых образцов............. 103
§4.1.1 Спектры поглощения слоев 5/0*........................ 103
§4.1.2 Спектры поглощения слоев Я/.......................... 107
§4.1.3 Влияние инжектированного заряда на ИК-спектры поглощения слоев.............................................. 108
§4.2 Анализ С Г-характеристик эле ктризованных образцов........ 110
§4.3 Анализ экспериментальных результатов ТСРП................. 113
§4.3.1 Энергетическое распределение ЭАД в структурах
БШ02................................................... П6
§4.3.2 Энергетическое распределение ЭАД в структурах
120
§4 4 Результаты исследования образцов методом ВТ............... 124
§4.4.1 Анализ ВТ в неэлектризованнык образцах............... 124
§4.4.2 Анализ ВТ в электризованных образцах................. 129
§4.4.2.1 Структура £/-5702............................. 129
§4.4.2.2 Структура..................................... 133
§4.4.3 Оценка электрофизических параметров релаксационных процессов в электризованных структурах по температурным зависимостям ВТ...................................... 135
- 5-
§4.4.4 Новая методика исследования электретиых структур,
основанная на методе ВТ............................... 137
§4.5 Физическая модель формирования и релаксации заряда в
структурах Si-Si02 и Si-Si02-SisN'4........................ 139
ГЛАВА V. Факторы, увеличивающие стабильность электретного
состояния в структурах Si-Si02 и Si-Si02-Si3N4........ 144
§5.1 Влияние влажности воздуха на стабильность поверхностного
потенциала электретов...................................... 144
§5.2 Исследование электретных структур Si-Si02 и Si-SiOrSh
условиях повышенной влажности.............................. 147
§5.3 Модификация свободной поверхности образцов гидрофоби-
зирующими покрытиями....................................... 151
§5.3.1 Модификация кремнийорганическими соединениями.... 151
§5.3.2 Модификация поверхности с помощью пленок поли-
имида, нанесенных методом Ленгмюра-Блоджетт 153
§5.3.3 Зависимость поверхностной проводимости образцов от
относительной влажности воздуха....................... 157
§5.3.4 Влияние исследуемых гидрофобизаторов на релаксацию заряда в условиях повышенной влажности.................. 159
§5.3.5 Оценка электрофизических параметров электретных
структур Si-Si02-ПИ................................... 163
§5.4 Термообработка структур в вакууме......................... 166
§5.4.1 Исследование влияния предварительной термообработки образцов на стабильность электретного эффекта 166
§5.4.2 Анализ влияние отжига на ИК-спектры поглощения
слоев Si02 и S13N4.................................... 168
§5.4.3 Анализ влияния термообработки на параметры центров
захвата носителей заряда............................. 1*71
ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................... 178
ЛИТЕРАТУРА......................................................... 181
-6-
Посвящается моим родителям: Козодаеву Александру Ивановичу и Козодаевой Нине Андреевне
ВВЕДЕНИЕ
Благоприятное сочетание механических, химических и электрических свойств материалов в последнее время способствовало широким исследованиям системы Si О 2 и SiyNx-SiOi на кремниевой подложке.
Актуальность исследований особенно усилилась с развитием, начиная с середины 80-х годов, нового направления - микросистемной техники {micromachining). При этом возник повышенный интерес к разработкам и созданию электретных субминиатюрных сенсоров и актюаторов (электрет-ные микрофоны, датчики давления, микронасосы и др.). использующих в качестве активных элементов, электреты из диоксида и нитрида кремния, изготовленных по стандартным “кремниевым'’ технологиям, а также композиций на их основе. Основными физическими требованиями для электретных материалов при создании микроэлектронных приборов являются временная стабильность электрического поля, создаваемого электретами и устойчивость характеристик к воздействиям окружающей среды при различных условиях эксплуатации.
Сравнительно недавно было показано, что эти материалы по своим электретным характеристикам не уступают традиционным электретам из полимеров. За последние несколько лет только в европейской базе данных патентов нами было обнаружено более 100 патентов м и к р о м е х а i: и11 е с к и х устройств, использующих электретный эффект в структурах, исследуемых в данной работе. Несмотря на большой объем исследований пленок диоксида и нитрида кремния, механизмы, протекающие в них - электронные и ионные процессы при их электризованном состоянии, до сегодняшнего времени оставались в значительной степени неизученным.
Это вызвано, в первую очередь, отсутствием комплексных исследований, выполненных различными современными методами. Результаты исследований, как правило, носили описательный характер и ограничивались
-7-
в значительной степени экспериментами по разрядке электретных структур. Более того, основная часть исследований выполнялась за рубежом.
Знание физики процессов формирования и релаксации электретного состояния и зависимости природы центров захвата носителей заряда от технологии изготовления слоев открывает возможности прогнозирования и целенаправленного изменения функциональных электретных свойств данных материалов при их практическом применении в микроэлектронике.
Целью данной работы являлось определение природы физических процессов в электретных структурах, создание физической количественной модели образования и релаксации электретного эффекта при определении ее основных параметров, выявление технологических факторов для создания стабильных электретов, как на основе 5/-5/02, так и на основе двухслойных структур с использованием нитрида кремния.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи.
• испытание полученных структур в рамках комплексного подхода, включающего в себя ряд традиционных методик исследования релаксационных процессов в диэлектрических структурах, такие как ИК-спектроскопия, метод изотермической релаксации потенциала, термоактивационная спектроскопия, измерение С^-характеристик и др.;
• разработка новой методики исследования релаксационных процессов в электретных структурах на основе метода низкочастотного структурного внутреннего трения (ВТ);
• обоснование методов, позволнющил увеличить стабильность злек-третного эффекта в структурах 5/-5/03 и 5/-5/0:-5/зЛ7.
Личный вклад автора работы в получении научных результатов
состоит в следующем:
• сформулирована физическая инжекционно-дрейфовая модель формирования и релаксации электретного эффекта в структурах 67-5702 и 5/-5/02-5/3Л4, дана ее количественная оценка;
-8-
• обоснованы оптимальные технологические режимы формирования электретных слоев структур 5/-5/02 и 5/-5/02-5ЫУ4 при использовании стандартных “кремниевых” технологий;
• разработан комплексный метод исследования для • определения физических процессов в электретных структурах на основе слоев диоксида и нитрида кремния;
• определены природа и электрофизические параметры центров захвата носителей заряда, выявлено влияние инжектированного в процессе электризации заряда на примесные водородсодержащие центры в структурах 51-5/02 и *$7-5/02-5*зМ*;
• установлены характерные особенности энергетических спектров электронных локализованных состояний в структурах 5/-5/02 и 5/-5/02-5/зЛ^, полученных с использованием различных технологий;
• разработана новая методика, позволяющая использовать метод низкочастотного внутреннего трения в качестве информативного инструмента для исследования релаксации заряда в электретных структурах;
• исследованы и обоснованы способы, повышающие стабильность электретного эффекта путем модификации свободной поверхности гидрофобизирующими покрытиями на основе нанос лоевых пленок полиимида и путем предварительной термообработки образцов в вакууме перед их электризацией.
Практическая значимость и ценность результатов состоит в следующем:
• выявлены оптимальные режимы синтеза электретных слоев диоксида и нитрида кремния, а также способы электризации структур 5/-5/Ог и 57-5702-5/3^4 их практического применения в качестве активных элементов электретных сенсоров и актюаторов;
• разработан комплексный метод исследования для определения основных электрофизических параметров электретных структур на основе слоев диоксида и нитрида кремния;
-9-
• экспериментально и теоретически обоснованы способы гидрофоби-зации поверхности покрытиями на основе пленок полиимида;
• установлены факторы, улучшающие электретные характеристики и даны практические рекомендации по их применению для получения стабильных электретов на основе структур 5/-&'02 и 5/-5/02-5/зАг4.
Научные положения, выносимые на защиту:
Положение 1: Стабильность электретного состояния структуры 57-57(92-полним ид увеличивается не только путем гидрофобизации поверхности, но и путем формирования дополнительных глубоких центров захвата, как для отрицательного, так и для положительного заряда;
Публикации положения I:
• Голоудина С.И., Закржевский В.И., Козодаев Д.А. и др. Полиимидные нанослоевые композиции, как стабилизирующие покрытия микроэлектронных структур // Петербургский журнал электроники. - СПб, ]\°4, 2001, с.79-86.
• Козодаев Д.Д., Пасюта В.М. Применение пленок Ленгмюра-Блоджегг полиимидов для увеличения стабильности электретного эффекта в 5/02 Н Тез. докл. 4-й научн. молодежной школы. “Наноматериалы, нанотехнологии, наноструктуры и методы их анализа’'. - СПб, 2001, с. 38.
Положение 2: Разработанная методика, основанная на измерении частотно-температурной зависимости внутреннего трения при анализе динамических процессов миграции заряда в объеме образца, позволяет определить физические процессы, сопровождающие захват и высвобождение заряда с центров захвата в электретных структурах на основе слоев диоксида и нитрида кремния.
Публикации положения 2:
• Г'ороховатский Ю.Д., Закржевский В.И., Козодаев Д.А., и др. Комплексный подход для исследования релаксационных процессов в структурах 5/-57(92 и 5/02-5/зуУ4 // Тез. докл. Всерос. научн. коиф. “Физика полупроводников и полуметаллов ФПП-2002”. - СПб, 2002, с. 216-218.
• Андреев Ю.Н., Козодаев Д.А., Лучинин В.В. и др. Новая методика исследования релаксации заряда в структурах 5/-57(92 и 5(-5702-&з^4
- 10 -
методом низкочастотного внутреннего трения. // Тез. докл. II Всерос. конф. по физической электронике “ФЭ-2001”. - Махачкала, 2001.
Положение 3: Увеличение стабильности в структуре (5/'зА9 получен ВЧ-реактивным магнетронным распылением) после термообработки ее в вакууме перед электризацией вызвано появлением в слое нитрида кремния дополнительных ЦЗ (57-// групп), образованных в результате перераспределения водорода из слоя 5/02 в слой 5/^.
Публикации положения 3:
• Гороховатский Ю.А., Закржевский В.И., Козодаев Д.А., и др. Комплексный подход для исследования релаксационных процессов в структурах 5/-5/02 и 5/02-б7зМ* ^ Тез. докл. Всерос. научн. конф. “Физика полупроводников и полуметаллов ФПП-2002”. - СПб, 2002, с. 216-218.
Аргументация и критическая оценка по сравнению с известными решениями.
Сформулированная физическая модель формирования и релаксации электретного состояния в исследуемых материалах дает количественную оценку параметров релаксационных процессов в отличие от качественных, феноменологических моделей электретного эффекта [4,8,9,11,36,38,42,71,88].
Примененный в данной работе комплексный подход для исследования электретного эффекта в структурах 57-5/02 и 5,/-5/0?-5/зЛг^ отличается своей полнотой полученных научных результатов при определении физических процессов по сравнению с предыдущими исследованиями [26,32,34,35,42,46].
Ряапяботянная нгжяя метолмка исследования пелаксятшоннмх
_ С г * ' • . X- -—■ -
процессов в электретных структурах на основе метода внутреннего трения дает дополнительную информацию о физике процессов по сравнению с термоактивационной спектроскопией [15,41,109,130].
Модификация свободной поверхности пленками полиимида (ПИ) дает наилучшие электретные характеристики структур 57-5702, по сравнению с электретами гидрофобизированными, в частности, кремнийорганическими соединениями [34,46,39,40,43,46].
Проведенные исследования электретных структур, модифицированных пленками ПИ, дают хороший прогноз для их практического применения в
-11 -
микроэлектронике, по сравнению с существующими решениями [54-58,63-66,69,73,74].
Выявлен и обоснован факт захвата носителей заряда водородсодержащими комплексами в процессе электризации с использованием коронного разряда, подтверждены модели, опубликованные в работах [1,2,30,97,126-128], в которых рассматривался процесс захвата носителей при инжекции электронов в объем образца.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции по физике твердых диэлектриков “Диэлектрики-97" (СПб, 1997), на научной молодежной школе по твердотельным датчикам (СПб, 1998 г.), на Международном симпозиуме по электретам “ISE 10" (Г реция, Дельфы, 1999 г.), на 4-й научной молодежной школы “Наноматериалы, нанотехнологии, наноструктуры и методы их анализа" (СПб, 2001), на 2-й Всероссийской конференции по физической электронике “ФЭ-2001” (Махачкала, 2001), на Всероссийской конференции “Температуроустойчивые функциональные покрытия" (Тула, 2001), на Всероссийской научно-технической конференции “Микро- и нано- электроника" (Звенигород, 2001), на Всероссийской научной конференции “Физика полупроводников и полуметаллов ФПП-2002" (СПб, 2002).
Хотелось бы отметить вклад соавторов при получении научных результатов: Гороховатский Ю.А., Мошников В.А., Закржевский В.И., Ярославцев И.П., Лучинин ВВ., Г о коло па И.М. - консультации по обработке экспериментального материала, Кудрявцев В.В., Склизкова В.II. - синтез полиимида, Голоудина С.И., Пасюта В.М. - нанесение пленок полиимида, Сазанов А.П. - нанесение пленок 570? плазмохимическим осаждением, Темнов Д.А. - помощь в проведении экспериментов по термоактивационной спектроскопии, Андреев Ю.Н. - помощь в проведении экспериментов по внутреннему трению. Автор работы благодарит директора ЦМИДа СПбГЭТУ Лучинина В.В. за предоставление экспериментальной базы для получения слоев диоксида и нитрида кремния.
- 12-
ГЛАВА I. Обзор литературы.
§1.1 Строение и электрофизические свойства слоев 5/02 и 5/УУ4 Технологические преимущества, которые дает возможность использования кремниевой технологии, при сочетании целого ряда специфических физико-механических, химических и электрических свойств практически определяет 5/02 и в качестве базовых материалов той части микросистемотехники, которая базируется на сочетании кремниевой и электретной технологий. В то же время для наиболее эффективного применения слоев диоксида и нитрида кремния в этом качестве необходимо знание их электрических свойств, понимание закономерностей изменения этих свойств при варьировании условий эксплуатации. С другой стороны, зависимость электрических свойств от строения структуры и дефектов позволяет использовать измерения электрофизических параметров для изучения особенностей строения исследуемых материалов и изготавливать слои с определенными функциональными свойствами в зависимости от области применения, которые можно контролировать в процессе производства.
На основании данных рентгеноструктурного анализа, электронной дифракции и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии [1] установлено, что по химическому анализу и структуре слои 5/02 подобны плавленому кварцу и характеризуются высокой степенью химической однородности по толщине слоев и некоторой долей кристалличности, которая проявляется в высокой степени ближнего порядка.
Структурной основой всех модификаций 5/02 является кремний-кислородный тетраэдр 5/04, в центре объема которого находится ион 5/4т с радиусом 0,42 нм, а в вершинах расположены связанные с ним ионы кислорода О2' радиуса 0,132 нм [2].
Длина связи 5/-0 в атомной сетке диоксида кремния является стабильной величиной (-0,162 нм), а валентный угол между тетраэдрами 5/04
- 13-
может изменяться в пределах 120...180° [3], что в значительной степени определяет отсутствие дальнего порядка. В [4] рассматривается процесс возникновения в пленках 5/02 кольцеобразных структур, составленных из отдельных кремний-кислородных тетраэдров и их групп, приводящий к формированию структурных каналов, которые могут играть существенную роль В процессе электронной электропроводности через СЛОЙ 5/02, а также в кинетике термического окисления кремния.
В [1] рассмотрено несколько областей в объеме 5/02 на кремнии. На расстоянии 3-4 НМ ОТ поверхности Кремния В 5/02 происходит изменение структуры атомной сетки без нарушения стехиометрии. В пределах этой области присутствует большое число собственных дефектов, обусловленных разрывом связей, что делает ее одной из самых активных с точки зрения участия в различных электрофизических процессах, протекающих в слое 5/02. Далее следует область с отличной от объемной, стехиометрией, расположенная в 1-1.5 нм от поверхности. Между слоем 5/02 и монокри-сталлическим кремнием возможно наличие аморфизированного слоя, в котором предположительно расположена большая часть быстрых электронных состояний, ответственных за быстрый захват и рекомбинацию в структурах 5/02 на кремнии.
Нитрид кремния - полиморфное кристаллическое соединение, имеющее две стабильные (а и (3) кристаллические модификации, кристаллизуется в структуру, в которой координационное число у кремния равно четырем, а у азота трем. В тонких эпитаксиальных слоях, выращенных на кремниевых подложках 5/зЛт4. может быть получен в структу ре дефектного сфалерита. В этой структуре в подрешетке азота заняты все позиции, а в под-решетке кремния '/4 позиций вакантны: число валентных электронов, приходящихся на один атом, равно 4.6 [5].
При температурах ниже 1150' С устойчива а-модификация, при более высоких - (3-форма. Гексагональные ячейки обеих модификаций построены
- 14-
из тетраэдров SiN4t в которых межатомные расстояния Si-N и N-N неодинаковы. Длина связи Si-N составляет 0.171-0.178, а длина N-N - 0.267-0.29 нм. Стехиометрический нитрид кремния содержит около 60% кремния [6].
Из-за высокой активности молекул кислорода в процессе получения нитрида кремния возможно отклонение от стехиометрии и кислород может взаимодействовать с кремнием, замещая азог. В результате возможно получение слоев оксинитрида кремния с различным процентным содержанием кислорода.
Основными контролируемыми параметрами пленок являются: коэффициент преломления, химический состав пленки, электрическая прочность и др. Значения некоторых типичных характеристик термических пленок SiO2 и ShjN4 приведены в табл. 1.1 [5, 7].
Таблица 1.1.
Основные электрофизические параметры слоев SiOi и Si$N4
Параметр SiOi &VV4
Относительная диэлектрическая проницаемость 4-5 6-9
Удельное сопротивление, Ом/см 1015-1016 1015-1016
Электрическая прочность, В/см 107 ю7
Показатель преломления 1.46 1.78-2.06
Ширина запрещенной зоны, эВ 8 4.5
Плотность состояний на границе с кремнием, см"2 1010 1012
Относительная радиационная стойкость 1 10
Коэффициент термического расширения, К"1 0.5*10-6 3-10"6
Основной пик ИК-поглощения, мкм 9.3 11.1-12
- 15 -
§1.2 Механизмы накопления и релаксации заряда в структурах
Если диэлектрик имеет собственные подвижные носители заряда, то он обнаруживает собственную электропроводность сг. Именно эта электропроводность может быть ответственна за релаксацию образованных внутри материала избыточных реальных зарядов (электретный эффект). В простейшем случае, когда поле избыточных зарядов не приводят к заметному изменению проводимости диэлектрика, время установления объемнозарядовой поляризации (максвелловское время) определяется выражением:
где е,Е^ - относительная диэлектрическая проницаемость и энергия активации равновесной проводимости диэлектрика, соответственно.
Даже в непроводящих материалах (без собственных носителей) избыточный заряд релаксирует благодаря подвижности носителей. Заряд, первоначально находящийся на неметаллизированной поверхности односторонне металлизированного образца толщиной и, распространяется под действием своего собственного поля через диэлектрик и пересекает его в течение так называемого времени переноса, равного:
где и - подвижность. Уо - первоначальное напряжение ня образце, вызванное наличием заряда. Следует отметить, что на величину подвижности могут заметно влиять процессы захвата носителей заряда.
Релаксация электрегного состояния, обусловленная высвобождением носителей заряда с центров захвата в простейшем случае одного сорта заряда и в отсутствие внутреннего поля (г.е., для короткозамкнутого диэлектрика), определяется временем релаксации г:
гм = ££о /о -
(1.1)
/рУо,
(1.2)
-16-
1
г = —ехр со
'еЛ (1.3)
V
кТ У
где сОуЕа - частотный фактор и энергия активации центров захвата.
К наиболее возможным механизмам формирования и релаксации электретного состояния в данных структурах относятся теории электронного инжекционно-дрейфового механизма [8, 9]. В этих работах, авторы считают, что вследствие проникновения зарядов в диэлектрик из электродов или со свободной поверхности при его электризации и последующей их локализации на центрах захвата образуется так называемый гомозаряд. Локализованные заряды в дальнейшем освобождаются из ловушек и следуют к поверхности, заряжая ее, или мигрируют вглубь слоя.
Таким образом, при формировании объемного заряда электроны захватываются на ловушки различной глубины. Поскольку существует распределение ловушек по энергиям, а частота освобождения электронов с них зависит от глубины ловушек и напряженности электрического поля, то в разных областях слоя энергетическая плотность заполненных ловушек будет различной [11]. Носители заряда, ответственные за объемно-зарядовую поляризацию в диэлектрической пленке, могут захватываться на ловушки. Последующий процесс осуществляется в несколько этапов: в результате термической (термополевой) активации носители заряда выбрасываются из ловушек, а затем мигрируют через толщу диэлектрической пленки. Движение заряда лимитируется собственно дрейфом носителей в толще пленки под действием внутреннего поля, который, в свою очередь, ограничен многократным перезахватом объемными ловушками [12].
Основными параметрами, характеризующие релаксацию электретного состояния в диэлектрических структурах, являются энергетическая глубина залегания ловушек, физическая глубина проникновения инжектированного заряда, время жизни носителей заряда на ловушке, их сечение захвата и т.д. [13].
- 17-
Большинство исследований по электретам направлены на определение энергетической глубины и природы центров захвата. При этом предполагается, что в запрещенной зоне диэлектриков существует большое количество уровней захвата, действующих как ловушки носители заряда или центры их рекомбинации [2, 14]. Их появление обусловлено нарушениями кристаллической решетки или примесями. В исследуемых структурах появление ловушек связывают обычно с наличием структурных дефектов. Такой вывод стал возможным на основании изучения механизмов захвата носителей заряда методами термостимулированных токов деполяризации [15], фотопроводимости [1], люминесценции [16] и др.
Следует отметить также, что физические дефекты, принимающие участие в захвате заряда, могут быть созданы путем введения чужеродной химической примеси, например, протонов или ионов щелочных металлов [17]. Образование, глубина и концентрация уровней захвата в большей степени определяется условиями изготовления образца, а также производимыми с ним последующими операциями.
Неорганические кристаллы могут быть охарактеризованы двумя типами ловушечных уровней [15]:
- дискретные уровни в запрещенной зоне;
- ловушки с квазинепрерывным (экспоненциальным или гауссовским) распределением по энергии, имеющие максимальную плотность состояний вблизи дна зоны проводимости.
Оба типа ловушек исследовались в пленках диоксида и нитрида кремния [1, 2]. Дискретные уровни захвата связывают обычно с наличием примесей, а квазинепрерывное распределение ловушек - с несовершенствами кристаллической структуры. Следует отметить, что окрестности каждого центра захвата не похожи полностью друг на друга, г.е. всегда существует различие в конфигурации разных центров. Это приводит к тому, что каждый дискретный уровень захвата как бы размазан по энергии. Поэтому