Физика/2. Физика твёрдого тела

Федин И.В., Ионов Е.А.

Научный руководитель Троян П.Е., д.т.н., профессор

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники 634050, Россия, г. Томск, пр. Ленина 40

Исследование свойств ДиЭлектрических плёнок нанометровой толщины

Получение диэлектрических плёнок с низким значением диэлектрической проницаемости является актуальной научно-технической проблемой для интегральной СВЧ электроники, как метод уменьшения потерь и увеличения скорости распространения СВЧ сигнала. Повышение внешнего квантового выхода светодиодов возможно за счёт нанесения плёнок диэлектриков с низким значением показателя преломления на излучающую поверхность нитрид галлиевого светодиода. Таким образом, разработка методов получения и исследования свойств диэлектрических материалов с низким значением диэлектрической проницаемости и показателя преломления – актуальная проблема. В данной работе проводилось исследование зависимости диэлектрической проницаемости и показателя преломления плёнок диоксида кремния, модифицированного углеродом (SiO₂+C).

Исследуемые диэлектрические плёнки напылялись методом магнетронного распыления составной кремний-графитовой мишени в атмосфере воздуха, напыление алюминиевых электродов проводилось методом термического испарения. Электрофизические свойства плёнок исследовались на измерителе иммитанса Е7-20. Измерение показателя преломления проводилось на эллипсометрическом комплексе «Эллипс-1897 САГ». Толщина напыляемых плёнок составляла до 300 нм. Значение показателя преломление бралось для длины волны падающего излучения, равного 632.8 нм.

На одной подложке получалось до 50 конденсаторных структур. Значение ёмкости имело большой разброс по подложке, поэтому выбиралось наиболее вероятное (часто встречаемое) значение, которое использовалось для вычисления диэлектрической проницаемости.

На рисунке 1 приведён график зависимости диэлектрической проницаемости плёнки SiO₂+C от Sy/Sм, где Sy/Sм – отношение площади, занимаемой углеродом (Sy), к площади рабочей поверхности магнетрона (Sм).

Рис1. График зависимости диэлектрической проницаемости от отношения Sy/Sм.

R² – коэффициент достоверности аппроксимации, характеризующий линейность зависимости. Как видно из графика зависимости, изображённой на рисунке 1, введение углерода в плёнку диоксида кремния понижает её диэлектрическую проницаемость, что может быть использовано для улучшения характеристик приборов, изготовленных с её использованием.

Результаты исследования зависимости показателя преломления плёнки SiO₂+C от концентрации углерода приведены на рисунке 2.

Рис 2. График зависимости показателя преломления от концентрации введённого углерода

Как видно из рисунка 2, полученная зависимость имеет ярко выраженный обратно пропорциональный линейный характер, что позволяет управлять показателем преломления плёнок SiO₂+C, c высокой точностью, путём варьирования количества введённого углерода. Данное свойство позволяет использовать исследуемые плёнки в оптике в качестве просветляющих покрытий. Теоретический расчёт зависимости суммарного коэффициента пропускания для системы GaN – SiO₂+C - воздух от показателя преломления слоя SiO₂+C приведён на рисунке 3.

Рисунок 3. Зависимости суммарного коэффициента пропускания для системы GaN – SiO₂+C - воздух от показателя преломления слоя SiO₂+C

В ходе проведённого исследования было выявлено, что как диэлектрическая проницаемость, так и показатель преломления, уменьшаются с увеличением площади занимаемой углеродом на составной кремний-графитовой мишени магнетрона, причём зависимость показателя преломления имеет ярко выраженный линейный характер. Возможно, уменьшение показателя преломления вызвано повышением пористости плёнок, вследствие разрыхляющего действия введённого в них углерода. Так же, возможно, что образовавшиеся поры являются мезопорами, повышающими содержание воздуха в получаемых структурах. Поскольку диэлектрическая проницаемость воздуха равна 1, общая диэлектрическая проницаемость полученной структуры уменьшается.

Полученные результаты можно использовать для межслойной изоляции интегральных СВЧ схем и повышения внешней квантовой эффективности светодиодов, изготовленных на основе нитрида галлия.

1 Сахаров Ю.В влияние примеси углерода на формовку и электрофизические параметры МДМ структур: Дисс. … канд. Техн. – Томск, 2006 – 150 с.

2 Троян П.Е. Сахаров Ю.В., Исследование пористых плёнок диоксида кремния. // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники – 2011. - № 2 (24), ч.2. - -с. 77-80

3 Данилин Б.С.; Вакуумная техника в производстве интегральных микросхем. – Энергия, 1972. – 256с

4 Ч. Пул, Ф. Оузнс.; Нанотехнологии. – Москва: Техносфера, 2005. – 336с

5 Е.А. Высоцкая ВКР Исследование фотореактивных кристаллов методами колебательной спектроскопии / Томск. ун-т сист. упр. и рад. – 2010. – 64с – ФЭТ ВКР.443225.001 ПЗ

6 М.Р. Федюнина ВКР Исследование плёнок SiO₂ методами ИК-спектроскопии/ Томск. ун-т сист. упр. и рад. – 2007. – 45 с. – ФЭТ ВКР.410224.001 ПЗ

7 Смирнов С.В. Методы исследования материалов и структур электроники: методические указания по выполнению лабораторных работ. Томск. ун-т сист. упр. и рад. 2007. – 60с.