- Details
- Hits: 21543
Department of Functional Materials and Nanostructures
 |
Alexei N. Nazarov Head of Department Contact: +380 (44) 525 61 77 (phone/fax) E-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.
|
Staff
Laboratory № 49 Laboratory of molecular optoelectronic semiconductor systems
Head of Laboratory Eugene Bortchagovsky
Field of Research
The main directions of scientific and technical activities of Division:
- Physical principles of nanoelectronic devices, the technology of silicon-on-insulator systems and their electrophysical diagnostics;
- Development and electrical diagnostics of nanocrystalline nonvolatile memory;
- Investigation of physical principles and technology development of nanostructured light-emitting materials based on a-SiCO;
- Research of the electrical properties and development of electric diagnostic methods for super thin dielectric layers with high dielectric permittivity;
- The development of plasma-hydrogen technology of ordering of thin film semiconductor materials and structures;
- Physics and technology of graphene.
Achievement
Найбільш вагомі науково-технічні результати:
- Вперше були досліджені і теоретично проаналізовані стохастичні емісійні струми в МДН-структурах (системи Si-SiO2, 4H-SiC-SiO2, 6H-SiC-SiO2) в області наднизьких температур, які пов’язані з тунельним обміном носіями між двома системами центрів з малими енергіями активації, розташованими в нанорозмірних прошарках проміжної стехіометрії на межі поділу аморфний діелектрик-напівпровідник та відповідними дозволеними зонами напівпровідника. Проведені дослідження виявили вплив процесів перезарядки центрів у перехідному шарі діелектрика на низькотемпературні характеристики МДН-транзисторів. Зокрема, за допомогою цих досліджень було доведено, що причиною аномально низької рухливості носіїв і низької крутизни в n-канальних 4H-SiC МОН транзисторах є пастки електронів з надзвичайно високою густиною (>1013 см-2), розташовані в оксікарбідному перехідному шарі і обумовлені природним поверхневим дефектом. Ці пастки є притаманними усім МОН-структурах на основі окисленого 4H-SiC, незалежно від режиму окислення, і відсутні в структурах на основі 6H-SiC. (В.І. Зіменко, Ю.В. Гоменюк, Р.Н. Літовський, В.С. Лисенко, О.М. Назаров, Т.О. Руденко, І.М. Осіюк, Т.М. Ситенко, І.П. Тягульський).
Рис. 1. Типові спектри термоактиваційного струму в МОН структурах на основі (а) n-типу 4Н-SiC і (б) 6Н-SiC для різних величин зарядної напруги, прикладеної при температурі Т=250К. Швидкість нагріву 0.333К/сек [9].
Рис. 2. Термоактиваційні струмові (ТАС) спектри, що вимірені за криогенних температур на структурах LaSiOX/n-Si (a) і LaSiOX/p-Si (b) з напругою зарядження, яка додавалася до структури за температурою 80 K. На вставці: спектри ТАС, що вимірялися після прикладання напруги за температурою 20 K, які пов’язані з пастками у перехідному шарі діелектрику [13].
2. Вперше був експериментально дослідженний вплив значних поперечних електростатичних полів на фундаментальні параметри надпровідності в високотемпературних надпровідникових кераміках. Встановлено, що індукована зовнішнім полем зміна концентрації вільних носіїв в тонких приповерхневих шарах високотемпературних надпровідникових кераміках призводить до збільшення критичної температури надпровідності, критичної густини струму та верхнього критичного поля, що доводить принципову можливість створення на основі таких матеріалів нових видів польових транзисторних надпровідникових приладів (Ю.В. Гоменюк, В.С. Лисенко, Т.М. Ситенко, І.П. Тягульський).
3. Вперше було знайдено вплив водню на процеси низькотемпературного плазмового відпалу вакансійних дефектів і активацію легуючої домішки в кремнії та запропоновано і теоретично обгрунтовано фізичний механізм цих процесів (О.М. Назаров, А.С. Ткаченко, Т.О. Руденко, В.С. Лисенко).
A.N. Nazarov, V.M. Pinchuk, T.V. Yanchuk, V.S. Lysenko, Ya.N. Vovk, S. Rangan, S. Ashok, V. Kudoyarova, E.I. Terukov, International Journal of Hydrogen Energy, vol. 26, pp.521–526 (2001).
4. Створені нові світловипромінюючи матеріали (плівкові і нанопорошкові) з високою ефективністю випромінювання зі спектром, наближеним до сонячного, на основі наноструктурованих аморфних сплавів SixC1-x та карбонізованого поруватого кремнію. Високотемпературні обробки та ефекти окислення дозволили виявити вплив перерозподілу водневих зв’язків Si-H та C-Н, а також формування sp2 вуглецевих нанокластерів, на електрофізичні, оптичні та магнітні властивості таких плівок і знайти умови покращення їх ефективності світловипромінювання. (А.В. Васін, А.В. Русавський, О.М. Назаров, В.Г. Степанов, В.М. Торбін, В.С. Лисенко).
Вперше біла люмінесценція із спектром випромінювання близьким до випромінювання сонця була знайдена в наноструктурованій сполуці типу a-Si(1-x-y)O(x)C(y), яка була синтезована за допомогою послідовної процедури високотемпературної обробки поруватого кремнію в атмосфері ацетилену та водневого пару.
Yukari Ishikawa, A. V. Vasin, J. Salonen, S. Muto, V. S. Lysenko, A. N. Nazarov, N. Shibata, V.-P. Lehto, Journal of Applied Physics, v.104, 083522-1-6, 2008.
5. Вперше показано, що у сильнолегованих безперехідних нанодротових транзисторах (приладах нової генерації) ефективна рухливість електронів збільшується зі зменшенням ширини нанодроту, і у певному діапазоні роботи значно перевищує рухливість в об’ємному Si з цією самою концентрацією легуючих домішок, що обумовлено зменшенням Кулонівського розсіяння на іонізованих домішках в нанодротових транзисторах з нанорозмірним поперечним перетином. Ці результати є надзвичайно важливими, оскільки низька рухливість носіїв внаслідок високої концентрації домішок вважалась раніше фундаментальним обмеженням без перехідних нанодротових транзисторів. Крім того прилади можуть мати підпороговий нахил значно менший, ніж у ідеального МДН транзистору (60 mV/Dec) за рахунок процесу ударної іонізації і динамічного плаваючого потенціалу в каналі (Т.О. Руденко, О.М. Назаров, В.С. Лисенко разом з групою Ж.П.Коланжа, Національного інституту Тиндала, Корк, Ірландія).
Схематичний вигляд і поперечний перетин багатозатворного безперехідного транзистора
Ефективна рухливість електронів в безперехідних нанодротових транзисторах з різною шириною нанодроту: (а) в залежності від перевищення порогової напруги, VG-VTH;
(б) в залежності від густини носіїв заряду на одиницю площі затвору
(концентрація легуючої донорної домішки ND=5х1018 см-3, довжина каналу L=10 m; товщина кремнієвої плівки tSi=10 nm; еквівалентна товщина затворного діелектрику tEOT=1.3 нм ) [1]
Підпороговий нахил безперехідного нанодротового транзистора в режимі ударної іонізації в каналі [4]
6. Розроблені нові методи електричної характеризації тонкоплівкових КНІ транзисторів та наноприладів таких, як КНІ МДН транзистори з надтонкою кремнієвою плівкою, багатозатворні нанодротові і реброподібні транзистори (FinFET), нанодротові безперехідні (junctionless) транзистори (Т.О. Руденко, О.М. Назаров, В.С. Лисенко).
Зокрема, запропоновано новий фізично обґрунтований метод визначення порогової напруги придатний в новітніх КНІ МДН нанотранзисторах, в тому числі з нелегованим каналом, а саме, з положення мінімуму похідної відношення крутизни до току затвору по напрузі затвора. Працездатність і переваги запропонованого методу було підтверджено чисельнім моделюванням і експериментальними результатами, отриманими на нанорозмірних КНІ транзисторах зі структурою FinFET і ультра-тонкою плівкою КНІ (Т.О. Руденко, О.М. Назаров).
Запропоновано новий метод визначення концентрації легуючої домішки і напруги плоских зон у багатозатворних нанодротових безперехідних КНІ транзисторах, що базується на застосуванні 2-D електростатичних ефектів. Метод потребує виміряння ємності затвор-канал в залежності від напруги затвору в транзисторах з різною шириною нанодроту і побудови середньої концентрації носіїв як функції напруги затвору. Працездатність методу продемонстровано на трьох-затворних нанодротових безперехідних КНІ транзисторах. (Т.О. Руденко, О.М. Назаров).
7. Вперше за допомогою split-CV методу було експериментально визначено ефективну рухливість носіїв в реброподібних КНІ транзисторних структурах (FinFET) з нановимірними розмірами (Рис.1, 2). Виявлено загальні тенденції в поведінці рухливості носіїв в трьох-затворних FinFET структурах, що не залежать від матеріалу затвору і затворного діелектрика. Зокрема, знайдено, що в випадку нелегованих каналів має місце покращення рухливості дірок і деградація рухливості електронів вузьких FinFET транзисторних структурах порівняно з планарними структурами, що пояснюється різною орієнтацією верхньої (100) і бокових (110) поверхонь транзистора. Однак, в випадку сильнолегованих каналів має місце значне покращення (більш ніж в 2 рази) рухливості в вузьких FinFET транзисторних структурах порівняно з планарними структурами не тільки дірок, але і електронів. Несподіване покращення рухливості електронів в вузьких FinFET транзисторах при низьких і помірних щільностях носіїв пояснюється зменшенням Кулонівське розсіяння на іонізованих домішках і зменшенням поперечного електричного поля. Отримані результати дослідження рухливості забезпечують краще розуміння транспортних властивостей багатозатворних нановимірних КНІ транзисторних структур (Т.О. Руденко, О.М. Назаров, В.І. Кільчицька разом з IMEC і Католицьким Університетом Льовена, Льовен-ла-Нов, Бельгія)
Рис.3 Ефективна рухливість дірок (а) і електронів (б) в залежності від щільності носіїв в вузьких і дуже широких (квазі-планарних) трьох-затворних FinFET структурах з нелегованим каналом (HFin=55 нм, L=10 м) [1]
Рис.4 Ефективна рухливість дірок (а) і електронів (б) в залежності від щільності носіїв в вузьких і дуже широких (квазі-планарних) трьох-затворних FinFET структурах з легованим каналом (NA=21018 cm-3, HFin=55 нм, L=10 м) [1]
Fig.5 Effective electron (a) and hole (b) mobilities in the FinFETs with various fin widths and a TiN gate electrode and a HfO2 gate dielectric [4]
8. Визначені механізми захоплення та витоку заряду в елементах пам’яті із кремнієвими нановключеннями, які працюють як ізольований електрод, що дозволило запропонувати нові системи енергонезалежної пам’яті. (В.І. Турчаніков, В.А. Євтух, О.М. Назаров,).
Уніполярна пам'ять
З роботи: V. A. Ievtukh, A. N. Nazarov, V. I. Turchanikov and V. S. Lysenko, Advanced Materials Research, Vol. 718-720, pp 1118-1123 (2013).
Design
Найбільш вагомі науково-технічні розробки:
Low-Cost SOI material and CMOS ICs
Було розроблено недорогу технологію отримання структур кремній-на-ізоляторі (КНІ) з одношаровими та багатошаровими внутрішніми діелектриками методамі лазерної та електронної рекристалізації тонких шарів полікремнію і вперше в СНД виготовлені на таких системах МДН-інтегральні схеми різного призначення, здатних працювати при температурах до 250°С та в умовах значних імпульсних електричних перешкод і доз гамма опромінювання. Інтегральні схеми мікропроцессорного набору на структурах КНІ, що були виготовлені разом з державним предприємством “Науково-дослідний інститут мікроприладів”, отримали високу оцінку щодо високочастотних властивостей та експлуатацїйної надійності порівняно з функціональнимі аналогами на об’ємному кремнію в таких організаціях, як НВО “Хартрон”, КБ “Електроавтоматика” (м. Дніпропетровськ). (В.І. Кільчицька, В.С. Лисенко, О.М. Назаров, Т.О. Руденко, О.М. Руденко).
Призначення КНІ КМОН інтегральної схеми
Інтегральна КМОН схема BA86P та її фрагменти
Розробка основ технології отримання неупорядкованих матеріалів на базі кремній-вуглецевих сплавів із високими світловипромінюючими властивостями у видимому діапазоні світла
Поруватий-SiO2:С
Разом із Японським Центром Чистих Керамік (Нагоя, Японія) розроблений принципово новий підхід для отримання наноструктурованого матеріалу, що виявляє інтенсивну білу фотолюмінесценцію. Цей матеріал представляє із себе нанокластери вуглецю вбудовані в матрицю оксида кремнию і виготовляється за допомогою окислення карбонізованної кремнієвої плівки. В зв’язку з тим, що процеси, які використовуються, проводяться в умовах термічної рівноваги, це значно покращує стабільність світловипромінюючого матеріалу порівняно із відомим методом іонної імплантації вуглецю в оксид кремнію.
Спектр випромінювання отриманого матеріалу значно ближче до спектру сонячного випромінювання ніж той, який можна отримати за допомогою сучасних комерційних приладів на базі нітрида галію, що робить цей матеріал дуже цікавим і перспективним для використання у якості альтернативного напівпровідникового джерела білого світла. Особливим досягненням даного матеріалу є використання технології на базі кремнію, при якій відсутні хімічно агресивні та екологічно небезпечні матеріали, що використовуються при виготовленні джерел білого світла на базі нітрида галію.
Переваги нового матеріалу:
- повний видимий спектр випромінювання, близький до натурального білого світла;
- можливість керування кольоровим відтінком білого світла;
- не містить важких металів.
Посилання:VASIN Andriy, TANI Yukari, SHIBATA Noriyoshi,SALONEN Jarno, LEHTO Pecca. «Light emitting material and its production method» Japanese patent № JP2009-18031(PA99M247) (2009).
Тонкі плівки a-SiO(x)C(y)
Розроблено метод низькотемпературного окиснення тонкої плівки a-SiC:H насиченої вуглецем і отриманої магнетронним розпорошенням, що дозволило отримати матеріал з сильною білою фотолюмінесценцією (див. фото).
Посилання: А.В. Васін, М.М. Локшин, В.С. Лисенко, О.М. Назаров, А.В. Русавський «Спосіб одержання фотолюмінесцентного шару, що не містить рідкісноземельних металів» Патент України №102635 від 25.07.2013.
Нанопорошки a-SiO2 :C
Загальна схема виготовлення нанопорошків
Посилання: А.В. Васін, М.М. Локшин, В.С. Лисенко, О.М. Назаров, А.В. Русавський, В.А. Тьортих, Ю.М. Больбух, Р.Б. Козакевич «Спосіб виготовлення люмінофору, який не містить металевих домішок, та люмінофор з інтенсивною білою люмінесценцією, виготовлений за даним способом» Патент України №101295 від 11.03.2013.
Equipment
Технологічне обладнання
Обладнання високотемпературної лазерної зонної перекристалізації (LZMR)
полікремнію для виготовлення структур кремнія-на-ізоляторі (КНІ)
Товщина кремнієвої плівки – 100 - 300нм |
Обладнання для магнетронного висадження металевих та напівпровідникових
плівкових матеріалів (Катод 1М)
Обладнання має:
3 магнетрона для ВЧ розпорошення (13.6МГц)
2 магнетрона для розпорошення на постійному струмі
Температура підігріву до 400°С
Діаметр пластини до 160 мм
Обладнання для швидкісного відпалу пластин (RTA)
 |
Відпал в інертній атмосфері (азот, аргон); Температура відпалу – 400-1300°С; Час відпалу – 0.4 – 90 с; Діаметр пластини до 150 мм Керування від комп’ютера. |
Обладнання для ВЧ плазмового відпалу пластин (RFA)
 |
|
Частота ВЧ розряду – 13.6 МГц;
Температура підігріву до 300°С;
Діаметр електроду – 0.5 м;
Потужність розряду до 3 Вт/см2
Чиста зона для хімічних обробок, отримування поруватого кремнію,
карбонізації і окиснення
 |
|
Обладнання і устаткування для діагностування
Компьютерізований комплекс на основі оптичного мікроскопу
(Axioscop-1 Mat mot, Zeiss)
Комплекс оптичної мікроскопії на базі оптичного мікроскопу Axioscop 2 MAT mot має вирішувальну здатність біля 0.2 мкм і дозволяє отримувати і обробляти зображення за допомогою комп’ютера у режимах світлого і темного поля, полярізованного світла і інтереференційного контрасту.
Компьютерізований багатофункціональний комлекс для вимірювань ємносних і струмових характеристик багатошарових структур на основі аналізатора параметрів напівпровідникових приладів “Agilent” 4156C та LCR meter “Agilent” 4284A
 |
“Agilent” 4156C Методи вимірювання: ВАХ (Т) стаціонарні, динамічні та імпульсні; квазістатичні ВФХ Струм вимірювання – 10-14А – 0.1А Напруга вимірювання – до ±30В Температури вимірювання - 300-550К Зондова станція для вимірювання на тестових елементах інтегральних схем на пластині |
| LCR meter “Agilent” 4284A&Keithley 6485 Діапазоні частот вимірювання ємності і провідності – 20 Гц – 1 МГц Температурні вимірювання (на базі кріостата, запатентованого в Україні і Росії) – 80-350К Методи вимірювання: ВАХ (Т) стаціонарні, ВФХ (Т); термоактиваційна струмова спектроскопія; термоактиваційна ємнісна спектроскопія адмітансна спектроскопія |
 |
Компьютерізоване обладнання для діагностування елементів енергонезалежної памяті на базі МДН структур
Projects
1. Державна програма Державного Комітета з Науки і Техніки України 4.4.1. “Розробка фізичних і технологічних основ створення багатофункціональних швидкодіючих інтегральних схем нової генерації, у тому числі трьохвимірної інтеграції, нових типів дискретних приладів і інтегральних сенсорів на базі систем кремній на ізоляторі” (1992-1994р) (Керівники В.С.Лисенко, О.М.Назаров)2. Проект Фонду фундаментальних досліджень ДКНТУ 4.2/43 “Розробка теоретичних та експериментальних основ водневої технології упорядкування напівпровідникових матеріалів та їх оксидів” (1993-1994) (Керівник О.М.Назаров)
3. Проект 1.1.4 в рамках Державної цільової науково-технічної програми розроблення і створення сенсорних наукоємних продуктів "Розроблення і створення технології вирощування наноструктурованих карбонованих матеріалів кремнію та карбіду кремнію для опто- та мікроелектронних приладів " (2008 – 2012) (Керівники В.С.Лисенко, О.М.Назаров).
Міжнародні проекти:
1. INTAS-93-2075 “Research of zone-melting recrystallization (ZMR) and development of technologies for preparation of multilayer silicon-on-insulator (SOI) microstructures with specific characteristics of insulator for the fabrication of integrated circuits” (1994-1997) (Team leader from Ukraine A.N.Nazarov);
2. CRDF (США) UP2-291 “Plasma and hydrogen modification of semiconductor and dielectric properties” (1998-1999) (Team leader from Ukraine A.N.Nazarov)
3. INCO-COPERNICUS 1998 N977048-SIER “Ligh-emitting device based on Er-doped amorphous silicon for operation with silica glass optical fibers” (1998-2000) (Team leader from Ukraine A.N.Nazarov)
4. Проект НТЦУ 2332 «Технологія структур кремнієвих та карбід кремнієвих плівок на ізоляторі для високотемпературних мікроелектронних приладів» (2001-2002) Керівник – В.С.Лисенко
5. BMBF UKR01/054 (Німеччина) “Дослідження явищ люмінесценції та електричної пам’яті в діелектричних шарах SiO2, які мають нанокластери Si/Ge”, наказ Міносвіти і науки від 18 квітня 2001 року №321 (2001-2003) (Керівники: В.С.Лисенко, О.М. Назаров)
6. Network of Excellence, Contract # 506844 (Шоста рамочна програма ЄС) “Silicon-based nanodevices (SINANO)” (2004-2006) (Team leader from Ukraine A.N.Nazarov)
7. Thematic Network on Silicon on Insulator (SOI) technology, devices and circuits (EUROSOI), Contract #506653 (Шоста рамочна програма ЄС) (2004-2006) (Team leaders from Ukraine V.S.Lysenko, A.N.Nazarov)
8. CRDF (США) UKE2 – 2856-KV-07 “Research and Development of Amorphous SiXC1-X:H and Rare-Earth Doped Amorphous SiXC1-X:H films on Crystalline Si for Light-Emitting Devices ” (2007-2008) (Team leader from Ukraine A.N.Nazarov)
9. Проект Фонду фундаментальних досліджень з Республікою Білорусь № Ф29.1/024 «Вивчення механізмів світловипромінення і переносу заряду в наноструктурованих шарах a-SiO2:C на кремнії для перспективних джерел білого випромінення» (2009-20010) (Керівники: О.М.Назаров, А.В.Васін)
10. Проект НТЦУ 5513 «Розробка технологій світловипромінюючих нанокомпозитних матеріалів SiO2:C для перспективних джерел білого світла» (2012-2013) Керівник – В.С.Лисенко
Проекти з організації міжнародних семінарів:
1. Семінар НАТО “Фізичні та технічні проблеми КНІ структур і приладів на їх основі” Гурзуф, Крим 1994р (організатори В.С.Лисенко, О.М.Назаров, Ж.-П. Коланж (Бельгія));
2. Семінар НАТО “Перспективи, наука і технологія новітніх приладів, виготовлених на базі систем напівпровідник на ізоляторі”, Київ 1998 (організатори В.С.Лисенко, О.М.Назаров; П.Хеммент (Велика Британія));
3. Семінар НАТО “Прогрес в КНІ структурах і приладах, що працюють в екстремальних умовах”, Київ 2000 (організатори В.С.Лисенко, О.М.Назаров, Д.Фландре (Бельгія));
4. Семінар НАТО “Наука і технологія структур напівпровідник-на-ізоляторі і приладів на їх основі, що працюють в жорстких умовах”, Київ 2004 (організатори О.М.Назаров, Ф. Балестра (Франція));
5. Семінар НАТО “Нанорозмірні структури напівпровідник-на-ізоляторі і прилади на їх основі”, Судак, Крим 2006 (організатори О.М.Назаров, С. Холл (Велика Британія));
6. Українсько-французький семінар (НАНУ-CNRS) «Матеріали, прилади і схема на основі напівпровідників-на-ізоляторі: фізика, технологія і діагностика (SOIMDC2010)», Київ 2010 (організатори О.М.Назаров, Ф. Балестра (Франція));
7. Російсько-український семінар (НАНУ-РФФД) «Нанорозмірні системи та прилади на базі структур напівпровідник-на-ізоляторі», Звєнігород 2012 (Росія) (організатори О.М.Назаров, В. В’юрков (Росія))
8. Українсько-французький семінар (НАНУ-CNRS) «Характеризація і моделювання новітних нанорозмірних приладів виготовлених на основі систем напівпровідник на ізоляторі (SOIMDC2013)», Київ 2013 (організатори О.М.Назаров, Ф. Балестра (Франція));