• A
  • A
  • A
  • АБВ
  • АБВ
  • АБВ
  • А
  • А
  • А
  • А
  • А
Обычная версия сайта

Теоретическое и экспериментальное исследование влияния концентрированных потоков энергии и температуры на электрофизические свойства функциональных материалов

Приоритетные направления развития: инженерные науки
2015
Подразделение: Лаборатория "Радиационная физика твердого тела"

Цель работы: получение новых знаний о физических процессах взаимодействия концентрированных потоков энергии с различными функциональными материалами, установление механизмов наблюдаемых явлений.

Используемые методы: облучение протонами и электронами на ускорителях, рентгеновская дифрактометрия, электронная микроскопия, метод сильнополевой туннельной инжекции, метод аналитических диаграммных разложений и сложные компьютерные расчёты контурных интегралов для решения интегрального уравнения Бете-Салпетера в куперовском канале и уравнения Горькова для сверхпроводящей щели в гексагональной решётке с использованием кристаллической группы симметрий.

Эмпирическая база исследования: разработанная в ходе выполнения проекта оригинальная методика ионного облучения материалов при повышенных температурах, отличающаяся одновременным облучением кристалла интенсивным пучком фотонов для его нагрева и пучком протонов, создающих радиационные дефекты; разработанный в рамках данногопроекта комплекс рентгеновских методик для исследования поверхностных слоев, подвергнутых воздействию концентрированных потоков энергии; разработанный метод расчета сложных интегралов с неразложенным электронным спектром и с учётом наличия интегрируемых особенностей по некруговым контурам для эффективного взаимодействия при актуальных электронных концентрациях в интервале между Дираковской точкой и двумя точками Ван Хова; экспериментальные данные о синергетическом действии протонного облучения и температуры на электрофизические свойства и структуру монокристаллов кремния, а также влиянии сильнополевого воздействия, легирования, электронного облучения и пострадиационного отжига на кинетику накопления отрицательного заряда в объеме диэлектрика, его зарядовое состояние и величину пробивного напряжения;

Результаты работы:

  • разработана методика облучения кристаллов кремния протонами при повышенных температурах, заключающаяся в одновременном облучении образца интенсивным пучком фотонов для его нагрева и пучком протонов;
  • разработан метод совместного использования рентгеновской дифрактометрии и рефлектометрии, позволяющий анализировать различные области дифракционного пространства для исследования латерально ограниченных поверхностных слоев, подвергнутых воздействию концентрированных потоков энергии;
  • на основе экспериментальных данных, полученных высокоразрешающими рентгеновскими методами, рассчитаны интегральные характеристики дефектных слоев, сформированных при различных температурах;
  • установлено, что в отличие от обычного постимплантационного отжига при одновременном облучении протонами и нагреве кристаллов кремния до температур 440 и 730 К возникает синергетический эффект, проявляющийся в формировании междоузельных дефектов различных типов;
  • в рамках модели Шубина–Вонсовского в борновском приближении слабой связи при учете внутриатомного, межатомного, а также межслойного кулоновских взаимодействий электронов построены физическая модель и фазовая диаграмма сверхпроводящего состояния в слоистом полуметалле, определяющая границы реализации областей сверхпроводимости с различными типами симметрии параметра порядка;
  • показано, что поляризационные вклады Кона-Латтинжера до второго порядка теории возмущений включительно по кулоновскому взаимодействию и учет дальних внутриплоскостных кулоновских взаимодействий существенно влияют на конкуренцию между сверхпроводящими фазами сf−,p+ip− иd+id−симметриями параметра порядка. Продемонстрировано, что учет межслойного кулоновского взаимодействия приводит к реализации повышения критической температуры перехода в сверхпроводящую фазу в бислое графена;
  • разработаны модели, описывающие изменение зарядового состояния МДП-структур как в режиме заряда емкости, так и в режиме инжекции носителей заряда. Использование этих моделей позволяет выбрать оптимальный алгоритм токового воздействия и повысить точность измерений;
  • установлено, что отрицательный заряд, накапливающийся в ультратонкой плёнке фосфорно-силикатного стекла (ФСС) в легированных фосфором структурах с двухслойным подзатворным диэлектриком SiO2-ФСС, как в процессе сильнополевой туннельной инжекции электронов, так и при электронном облучении может использоваться для модификации МДП-приборов. Показано, что применение сильнополевой инжекции электронов для модификации зарядового состояния МДП-структур предпочтительнее использования электронного облучения, поскольку появляется возможность индивидуальной коррекции характеристик каждого прибора, и при определенных режимах сильнополевой инжекции можно значительно снизить сопутствующие деградационные процессы;
  • установлено, что как плотность накапливаемого отрицательного заряда, так и плотность его термостабильной компоненты возрастают с увеличением степени легирования диоксида кремния фосфором, приводящей к увеличению толщины пленки ФСС. Поскольку увеличение толщины пленки ФСС неприемлемо для тонких подзатворных диэлектриков, то сделано заключение, что расширения диапазона коррекции электрофизических параметров МДП-приборов эффективнее достичь, меняя соотношение между толщиной диоксида кремния и ФСС и смещая центроид отрицательного заряда к границе раздела Si-SiO2;
  • показано, что для получения приборов с высокой термополевой стабильностью на основе МДП-структур, модифицированных путем сильнополевой инжекцией электронов или электронным облучением, необходимо проведение их пострадиационного отжига при температурах около 200°С.

Рекомендации по использованию результатов НИР включают в себя: условия повышения критических температур сверхпроводящего перехода бислойного графена, по сравнению с монослойным графеном, повышение диапазона коррекции электрофизических параметров МДП-приборов при использовании предложенного в работе их радиационного модифицирования, проведение пострадиационного отжига при 2000С модифицированных электронным облучением или сильнополевой инжекцией электронов МДП-структур для получения приборов на их основе с высокой термополевой стабильностью; дозовые и температурные режимы облучения кристаллов кремния протонами для создания нарушенных слоев с управляемыми параметрами.

Область применения полученных результатов: полученные результаты могут быть использованы при производстве приборов на основе МДП-структур, кремниевых приборов фотовольтаики и формировании глубоко залегающих р-n переходов силовых приборов.

Публикации по проекту:


Андреев Д. В., Бондаренко Г. Г., Столяров А. А. Модификация МДП-структур сильнополевой инжекцией электронов и электронным облучением // В кн.: Труды XXV Международной конференции "Радиационная физика твердого тела" (Севастополь, 6-11 июля 2015г.) / Под общ. ред.: Г. Г. Бондаренко; науч. ред.: Г. Г. Бондаренко. М. : ФГБНУ "НИИ ПМТ", 2015. С. 242-252.
Андреев В. В., Бондаренко Г. Г., Романов А. В., Лоскутов С. А. Процессы радиационной ионизации в диэлектрических пленках МДП-структур в сильных электрических полях // Перспективные материалы. 2015. № 12. С. 27-33.
Дьячкова И. Г., Новоселова Е. Г., Смирнов И. С. Влияние температуры на формирование нарушенных слоев в кремнии при протонном облучении // В кн.: Труды XXV Международной конференции "Радиационная физика твердого тела" (Севастополь, 6-11 июля 2015г.) / Под общ. ред.: Г. Г. Бондаренко; науч. ред.: Г. Г. Бондаренко. М. : ФГБНУ "НИИ ПМТ", 2015. С. 539-549.
Бондаренко Г. Г., Кристя В. И., Савичкин Д. О. Расчет коэффициента распыления катода в слаботочном газовом разряде в смеси "аргон-ртуть" // В кн.: Труды XXV Международной конференции "Радиационная физика твердого тела" (Севастополь, 6-11 июля 2015г.) / Под общ. ред.: Г. Г. Бондаренко; науч. ред.: Г. Г. Бондаренко. М. : ФГБНУ "НИИ ПМТ", 2015. С. 531-535.
Andreev V. V., Bondarenko G., Stolyarov A. A., Akhmelkin D. M. Modification of dielectric films in MIS structures using the injection-thermal treatment / Пер. с рус. // Inorganic Materials: Applied Research. 2015. Vol. 6. No. 2. P. 128-132. doi
Андреев В. В., Бондаренко Г. Г., Масловский В. М., Столяров А. А., Тихонов А. Н., Ахмелкин Д. М. Сильнополевая и плазменная модификация структур метал-диэлектрик-полупроводник // В кн.: Труды XXV Международной конференции "Радиационная физика твердого тела" (Севастополь, 6-11 июля 2015г.) / Под общ. ред.: Г. Г. Бондаренко; науч. ред.: Г. Г. Бондаренко. М. : ФГБНУ "НИИ ПМТ", 2015. С. 633-642.
Андреев Д. В., Бондаренко Г. Г., Дубинина М. И., Кристя В. И., Фишер М. Р. Моделирование ионизации рабочего газа в слаботочном газовом разряде в смеси аргон-ртуть // В кн.: Труды XXV Международной конференции "Радиационная физика твердого тела" (Севастополь, 6-11 июля 2015г.) / Под общ. ред.: Г. Г. Бондаренко; науч. ред.: Г. Г. Бондаренко. М. : ФГБНУ "НИИ ПМТ", 2015. С. 60-64.
Andreev V. V., Bondarenko G.G., Maslovsky V. M., Stolyarov A. A., Andreev D. V. Control current stress technique for the investigation of gate dielectrics of MIS devices // Physica status solidi C. 2015. Vol. 12. No. 3. P. 299-303. doi
Kagan M.Yu., Mitskan V., Korovushkiin M. Anomalous superconductivity and superfluidity in repulsive fermion systems // Physics-Uspekhi. 2015. Vol. 58. No. 8. P. 733-761. doi
Andreev V. V., Bondarenko G., Maslovsky V. M., Stolyarov A. A. Modification of MOS Devices by High-Field Electron Injection and Arc Plasma Jet Treatment // Acta Physica Polonica A . 2015. Vol. 12. No. 5. P. 887-890. doi
Andreev D. V., Bondarenko G., Stolyarov A. A. Charge characteristics of MOS structure with thermal SiO2 films doped with phosphorus under high-field electron injection // Inorganic Materials: Applied Research. 2016. Vol. 7. No. 2. P. 187-191. doi
Andreev D. V., Bondarenko G., Stolyarov A. A. Modification of MIS Structures by Electron Irradiation and High-Field Electron Injection // Journal of Surface Investigation: X-Ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2016. Vol. 10. No. 2. P. 450-454. doi
Muslimov A. E., Butashin A. V., Mikhailov V. I., Shapiev I. M., Ismailov A. M., Novoselova E.G., Smirnov I.S. Study of the structure of crystalline tellurium on different substrates / Пер. с рус. // Crystallography reports. 2015. Vol. 60. No. 4. P. 616-619. doi
Андреев В. В., Бондаренко Г. Г., Тихонов А. Н., Ахмелкин Д. М., Романов А. В. Радиационная ионизация в подзатворном диэлектрике МДП-структур в сильных электрических полях // В кн.: Труды XXVI Международной конференции "Радиационная физика твердого тела" (Севастополь, 4-9 июля 2016г.) / Под общ. ред.: Г. Г. Бондаренко; науч. ред.: Г. Г. Бондаренко. М. : ФГБНУ "НИИ ПМТ", 2016. С. 490-497.
Kagan M., Mitskan V., Korovushkiin M. Phase diagram of the Kohn-Luttinger superconducting state for bilayer graphene // The European Physical Journal B. 2015. Vol. 88. No. 6. P. 157-157. doi