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 Sпл / Vпл, чем удельная поверхность объемных тел Sоб / Vоб.
Sпл / Vпл >> Sоб / Vоб. (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).
|
Рис. 9.1. Зависимость сопротивления тонкой пленки от толщины,
ρ 0 – 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 = ρо + ρт + 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 ~ U 2exp(- k / U) | GaSe |
Эмиссия, механизм Шоттки | 0,01-0,5 | I ~ T 2exp(a √ E / T) | Ta2O5 |
Эмиссия, механизм Френкеля-Пула | 0,01-0,5 | I ~ T 2exp(2 a √ E / T) | Si3N4 |
Ограничение объемным зарядом | ~10 | I ~ U 2/ x 3 | |
Оптический | I ~ U exp(- b / T) | SiO |
В таблице Е – напряженность электрического поля,
a – параметр решетки,
b = Eg / 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].