Структура и свойства тонких пленок

 

Свойства тонких пленок существенно отличаются от аналогичных параметров объемных образцов, что объясняется различием в структуре тонкопленочных и объемных материалов.

Для структуры поликристаллических тонких пленок характерна большая концентрация дефектов. Если в исходных материалах присутствуют загрязняющие компоненты, то в пленке возможно образование диэлектрических или полупроводниковых слоев, покрывающих проводниковые зерна. В таком случае, кроме проводимости свободных электронов, в пленке работают и термоактивационные механизмы. К ним относятся туннелирование через тонкий потенциальный барьер, термоэлектронная эмиссия, прыжковая проводимость и др. С другой стороны, тонкая пленка обладает большей удельной поверхностью S_пл/V_пл, чем удельная поверхность объемных тел S_об/V_об.

 

S_пл/V_пл >> S_об/V_об. (9.1)

Если вспомнить, что сама поверхность является протяженным дефектом, то выражение (9.1) говорит о различии свойств тонкой пленки и объемного тела. Так, например, удельное сопротивление пленочного проводника больше, чем удельное сопротивление объемного.

При уменьшении толщины пленки ее удельное сопротивление растет (рис. 9.1).

0,1

 

Рис. 9.1. Зависимость сопротивления тонкой пленки от толщины,
ρ₀ – объемное сопротивление

Такой эффект можно объяснить ростом отношения (9.1) то есть увеличением вклада поверхностей (верхней и нижней) пленки в механизм электропроводности. Данный эффект носит пороговый характер и называется классическим размерным эффектом. Он возникает, если длина свободного пробега электрона λ соизмерима с толщиной пленки d≤ λ. В этом случае основным типом рассеяния электронов становится рассеяние на поверхностях. Знакомое нам правило Матиссена (5.64) приобретает третье слагаемое ρ(d) и может быть записано в виде

ρ = ρ_о + ρ_т + ρ(d).

Слагаемое ρ(d) зависит от геометрии проводника.

В тонких металлических и полупроводниковых пленках работают также квантовые размерные эффекты. Условие возникновения таких эффектов заключается в соизмеримости толщины пленки и эффективной длины волны носителей заряда. Тогда формируются дискретные энергетические уровни в пленке, в направлении ее толщины. Для простейшей модели пленки без учета рассеяния в объеме и взаимодействия электронов проводимости, спектр энергии электрона выражается формулой

, (9.2)

где n – натуральный ряд чисел.

Одним из возможных проявлений квантовых размерных эффектов является резонансное прохождение электронов сквозь два узких потенциальных барьера, разделенных потенциальной ямой, образованной диэлектрической пленкой в структуре МДМ или ПДП (п. 9.7).

Диэлектрические тонкие пленки обладают существенной проводимостью. Она обусловлена различными механизмами, которые характерны для различных толщин пленки (табл. 9.1).

 

Таблица 9.1

Механизмы электропроводности в диэлектрических пленках

Механизм	Толщина, мкм	Зависимость I(U)	Пример
Туннелирование	<0,01	I~U2exp(-k/U)	GaSe
Эмиссия, механизм Шоттки	0,01-0,5	I~T2exp(a√E/T)	Ta2O5
Эмиссия, механизм Френкеля-Пула	0,01-0,5	I~T2exp(2a√E/T)	Si3N4
Ограничение объемным зарядом	~10	I~ U2/x3
Оптический		I~Uexp(-b/T)	SiO

 

В таблице Е – напряженность электрического поля,

a – параметр решетки,

b=E_g/k.

Большинство механизмов электропроводности тонких диэлектрических пленок обусловлено наличием сильных полей(п. 6.4).

Магнитные, сверхпроводниковые, пьезоэлектрические тонкие пленки обладают интересными свойствами, которые лежат в основе работы микроэлектронных устройств. Данные вопросы здесь не рассматриваются, и мы отсылаем читателя к дополнительной литературе, например, [10,20].