НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

НАУКОВО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ КОНЦЕРН "ІНСТИТУТ МОНОКРИСТАЛІВ"

ІНСТИТУТ МОНОКРИСТАЛІВ

КУЧЕЄВ СЕРГІЙ ІВАНОВИЧ

УДК 532.783;537.311

ЕЛЕКРООПТИЧНІ ЕФЕКТИ В СТРУКТУРАХ
МДН - РІДКИЙ КРИСТАЛ, ЗУМОВЛЕНІ ПЕРЕНЕСЕННЯМ
І НАКОПИЧЕННЯМ ЗАРЯДУ

01.04.15 - фізика молекулярних та рідких кристалів

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Харків - 2000

Дисертація є рукописом.

Роботу виконано на кафедрі загальної фізики Чернігівського державного педагогічного університету імені Т.Г. Шевченка

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук,

професор, завідувач кафедри загальної фізики Чернігівського державного педагогічного університету

Гриценко Микола Іванович.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук,

провідний науковий співробітник

Інституту монокристалів НАН України

Лисецький Лонгін Миколайович.

кандидат фізико-математичних наук,

старший науковий співробітник

Інституту фізики НАН України

Ковальчук Олександр Васильович.

Провідна організація: - Інститут фізики напівпровідників НАН України,

відділення оптоелектроніки

Захист дисертації відбудеться " 25 " жовтня 2000 р. о 14 год. 00 хв.
на засіданні Спеціалізованої вченої ради Д64.169.01 по захисту дисертацій при Інституті монокристалів НАН України за адресою: 61001, м.Харків-001, проспект Леніна, 60.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту монокристалів НАН України (Харків, проспект Леніна, 60).

Автореферат розісланий " 20 " вересня 2000 р.

Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,

кандидат фіз.-мат.наук Атрощенко Л.В

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Рідкі кристали(РК) знаходять широке застосування в системах відображення та обробки оптичної інформації, а також в системах неруйнуючого контролю виробів мікроелектроніки. Функціональною основою багатьох електрооптичних приладів є структури МДН - рідкий кристал, які включають в себе металеві, діелектричні, напівпровідникові і рідкокристалічні плівки. Процеси, зв'язані з протіканням струму через ці структури та з накопиченням заряду, можуть бути визначальними для функціонування цих приладів, а можуть бути і не бажаними та викликати їх деградацію. З іншого боку, перенесення зарядів і їх накопичення біля межі розділу середовищ, а також індуковані ними електрооптичні ефекти представляють інтерес з точки зору вивчення фізичних характеристик межі розділу рідкий кристал - напівпровідник, рідкий кристал - діелектрик. Аналіз літератури вказує на обмежений фактичний матеріал з цього питання. Тому дослідження процесів накопичення зарядів в РК та електрооптичних ефектів, викликаних ними, є актуальними.

Індустрія плоских екранів, яка бурхливо розвивається на основі нових технологій, включає в себе рідкокристалічні, емісійні, а також рідкий кристал - кремній (LCOS) технології і потребує нових систем контролю. Тестуючи системи на основі рідких кристалів сьогодні стають конкурентноздатними з класичними засобами контролю (наприклад, РЕМ). Тому дослідження фізичних основ рідкокристалічних методів контролю є актуальною задачею.

Аналіз стану застосування електрооптичних ефектів в дисплеях вказує на широкий пошук ефектів в рідких кристалах з покраденими кутовими характеристиками. Тому дослідження електрооптичних ефектів, що мають аксіально-симетричні характеристики в структурах МДН - рідкий кристал в околі пор діелектрика стають актуальними.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Робота є продовженням систематичних досліджень, виконаних на кафедрі загальної фізики Чернігівського державного педагогічного університету відповідно з проектами науково - дослідних робіт НАН України та Міністерства освіти України з проблеми "Нові інформаційні технології", номер держреєстрації 0193 U041781.

Мета роботи.

Дослідити взаємозв’язок процесів переносу і накопичення зарядів в структурах МДН-рідкий кристал з характеристиками електрооптичних ефектів, індукованих цими зарядами.

Для досягнення цієї мети розв’язувались такі основні задачі.

Дослідити процеси переносу заряду в структурах М-РК-Д-Н і М-РК-Н.

Встановити умови виникнення та релаксації нестійкостей орієнтованих нематиків в області пор діелектрика структур М-РК-Д-Н.

Дослідити аномальну переорієнтацію гібридно-орієнтованого нематика з

?? < 0 в постійних електричних полях.

Дослідити умови формування збідненого носіями заряду приповерх-невого шару кремнію та локалізованих областей переорієнтованого рідкого кристалу (доменів) в структурах М - РК - Si, зумовлених локальними струмами та накопиченням зарядів в рідкому кристалі.

Наукова новизна роботи полягає в тому, що вперше.

1. Виявлені і досліджені умови передпорогової переорієнтації планарно орієнтованого та розвитку нестійкості гомеотропно орієнтованого нематика з ????, в околі пори діелектрика структури М-РК-Д-Н в низькочастотних електричних полях.

2. Виявлено, що в структурі М-РК-Д-Н об’ємні заряди, накопичені в області пори, викликають збільшення порогових напруг електрооптичних ефектів в низькочастотних електричних полях.

3. Показано, що в допороговій області напруг перехід в гомеотропний стан гібридно-орієнтованого нематика з ?? < 0 в постійному електричному полі носить полярнозалежний характер і обумовлений накопиченням заряду.

4. Виявлено ефект збіднення поверхні кремнію основними носіями заряду структури М-РК-Н, індукований зарядами, накопиченими в рідкому кристалі.

5. Виявлені і досліджені властивості утворених доменів в структурі М-РК-Н, індукованих локальними струмами через межу поділу РК-Н.

Практична значимість роботи

·

· Запропоновано використовувати електрооптичні ефекти в структурах МДН-РК, зумовлені зміною провідності кремнію в області протікання локальних струмів, для візуалізації пор діелектрика.

· Запропоновано використовувати для модуляції світла в елементі зображення два стани розподілу директора в околі пори діелектрика: аксіально-симетричний в низькочастотних і гомеотропний у високочастотних електричних полях.

· Полярнозалежний електрооптичний ефект в гібридно-орієнтованому нематику з ?? < 0 структури М-РК-Н можна використовувати для візуалізації областей кремнію з протилежним типом провідності.

· Показана можливість створення просторово-часових модуляторів світла на основі структур М-РК-Н, в яких збіднення кремнію індукується полем зарядів, накопичених в РК.

Особистий вклад здобувача:

Автором експериментально встановлено і досліджено зв’язок між процесами перенесення і накопичення зарядів в РК та електрооптичними ефектами в структурах: М-РК-Н [8, 11, 13]; в області пори діелектрика структур М-РК-Д-Н [2, 3, 5, 10, 15]. Досліджено процеси формування збідненого шару кремнію і доменів в РК, обумовлені зарядами, накопиченими в РК [1, 4, 7, 11, 14].

Апробація результатів дисертації

Основні результати роботи доповідались на Всесоюзному семінарі "Оптика рідких кристалів" (м. Красноярськ, 1990), на 15-тій, 16-тій та 18-тій Міжнародних конференціях з рідких кристалів(Hungary, Budapest 1994, USA, Kent 1996, Strasbourg, France 1998), на Європейській конференції з рідких кри-сталів(Poland, Zakopane 1997), на VI Міжнародному Симпозіумі "Advanced display technologies"(Partenit, October12-16, Crimea, Ukraine 1997), на VII Міжнародній конференції "Nonlinear optics of liquid and photorefractive crystals"(Partenit, 5-10 October, Crimea, Ukraine, 1997), на VI Міжнародній конференції "Dielectric and Related Phenomena" Bielsko-Biala, 24-27 Sept., Poland 1998), на VIІ, VIII Міжнародному Симпозіумі "Advanced display technologies" (Minsk, Belarus 1998, Crimea, Ukraine 1999), на 3-тій Міжнародній конференції “Електроні процеси в органічних матеріалах” (22-28 травня, Харків, Україна, 2000).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 15 наукових праць, з них 3 статті.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, п’яти розділів, висновків та списку використаної літератури. Обсяг дисертації 122 сторінки машинописного тексту, вона містить 80 малюнків. Список використаних джерел містить 144 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність теми, вказана ціль, сформульована наукова новизна і практична цінність роботи. Вказаний особистий вклад автора, наведені відомості про апробацію матеріалів досліджень.

Перший розділ має оглядово-аналітичний характер. Проаналізовані опубліковані результати досліджень електрооптичних ефектів у рідких кристалах, зумовлені процесами переносу і накопичення зарядів.

У другому розділі обгрунтований вибір структур М-РК-Н і М-РК-Д-Н.

Описана технологія приготування МДН-структур на основі кремнію з опором порядку 1-10 Ом?см. Обгрунтовано вибір використовуваних нематичних рідких кристалів.

Приводяться блок-схеми експериментальних установок і методики дослідження електрооптичних ефектів у структурах.

Описано методи математичної обробки експериментальних даних.

Третій розділ присвячується дослідженню електрооптичних ефектів в нематику з ?? >0 в області пори діелектрика структури М-РК-Д-Н у постій-них та змінних електричних полях. У зазначених структурах шар РК ізольований від кремнієвого електроду діелектричною плівкою. Тому струми через структуру локальні і протікають тільки через пори плівки. У роботі показано, що локальні струми у напрямку кремній?РК і РК?кремній призводять до суттєво різних електрооптичних ефектів. У першому випадку ефекти обумовлені накопиченням зарядів у РК, тоді як у другому випадку, ефекти пов'язані із зміною провідності кремнію. При використанні електрооптичних ефектів в холестеричних рідких кристалах процеси, пов’язані з зміною провідності кремнію, проявлялись більш виразно. Поріг холестерико-нематичного переходу(ХНП) змінювали в широких межах величиною кроку холестеричної спіралі. Тому в МДН-структурі більш легко створювати умови збіднення поверхні кремнію. Але в області пори діелектрика стан збіднення кремнію не виникає внаслідок протікання струму через пору. Це супроводжується зміною пороговії напруги ХНП в околі пори діелектрика. Ефект може бути покладений в основу методу контролю дефектності діелектричних плівок на кремнії.

ВАХ структури з пористим діелектриком мають нелінійний характер. Несиметричність гілок ВАХ (рис.1) вказує, що переважають носії заряду від’ємного знаку. Квадратична залежність струму від напруги, і виконання співвідношення, справедливого для структур з точковим контактом при умові обмеження струму об'ємним зарядом [1]: ( Iзв /I = (2?r/d)2, де I, Iзв-прямий і зворотний струм; r і d радіус пори і товщина, РК відповідно) вказують на можливий інжекційний механізм переносу заряду.

Нелінійність струмів, обумовлена геометрією комірки і домінуванням від’ємних носіїв заряду, викликає складний розподіл директора в околі пори в постійних і змінних електричних полях. Нематик орієнтувався гомеотропно. Напрямок поля співпадав з напрямком директора, що дозволило виключити дестабілізуючий вплив діелектричного і електрогідродинамічного механізмів. Виникаючі деформації нематика в нормальних до поверхні електричних полях в роботі розглядаються як нестійкості.

Умовою виникнення нестійкості нематика в околі пори діелектрика в низькочастотних електричних полях є попередній вплив на структуру постійної напруги з полярністю “-“ U на кремнії. Нестійкість гомеотропно орієнтованого нематика(передпорогова переорієнтація планарно орієнтованого нематика) має тороїдальний вигляд з розміром, що на порядок перевищує товщину РК. Показано, що внутрішня область тороідальної фігури характеризується підвищеною пороговою напругою. Зростання порогової напруги пов'язується з екрануванням зовнішнього електричного поля об'ємним зарядом, інжектованим у РК через пору діелектрика. Моделюючи підвищену густину об'ємних зарядів в РК структури М-РК-Д-Н без пор, введенням дисоціюючої солі, одержали підвищення порогових напруг (рис.2).

Зсувом електродів структури один відносно одного(після попередньої подачі постійної напруги), встановлено, що нестійкість обумовлена зарядами, зв'язаними з поверхнею протилежного до пори електрода.

З аналізу частотних залежностей порогової напруги нестійкості випливає, що остання пов'язана з процесами переносу іонів в електричному полі. Нестійкість спостерігається при частотах менших 1кГц. Перехід із стану аксіально-симметричного розподілу директора при низькій частоті до гомеотропного стану при високій може бути здійснений достатньо швидко. Для напруг порядку 10 В в комірці товщиною 20 мкм були досягнуті часи переключення порядку 10 мс. Встановлено, що порогові напруги лежать у діапазоні 0,6-1 В і не залежать від товщини комірки.

Нестійкість не може бути наслідком електрогідродинамічних ефектів: 1) діюча на шар РК напруга внаслідок її перерозподілу в структурі М-РК-Д-Н, значно менша порогових напруг формування електрогідродинамічних доменів; 2) дослідження частотних залежностей розмірів нестійкостей нематика показало, що розміри останніх на порядок більші від товщини РК-комірки, що не властиво електрогідродинамічним доменам. Ефектами, зв’язаними з флексо- і поверхневою поляризацією нематика також можна знехтувати для змінних напруг частотою більшою десятка герц.

Встановлено, що мінімальний час дії постійної напруги, необхідний для розвитку нестійкості, залежить від типу орієнтанта і товщини РК. Це підтверджує процес адсорбції іонів при проходженні струму через структуру, а також узгоджується з моделлю [2], за якою густина адсорбованих зарядів зростає з товщиною комірки. Показано, що нематик релаксує із стану нестійкості до вихідної орієнтації, незалежно від наявності змінної напруги, з характерним часом порядку десяти хвилин. При цьому величина порогової напруги зростає з часом за експоненціальним законом. Спостерігається залежність часу релаксації від товщини РК і типу орієнтанту.

Аналіз температурних залежностей релаксації нестійкості вказує на активаційний механізм цього процесу з енергією активації ~0,3 еВ. Отже, релаксація нестійкості обумовлена десорбцією іонів із поверхні електрода.

Таким чином, проведені дослідження дозволяють прийняти несуперечливу модель виникнення і релаксації нестійкості орієнтованих нематиків в околі пори діелектрика в низькочастотних електричних полях. Частина об'ємного заряду, накопиченого в РК в околі пори діелектрика внаслідок протікання струму, адсорбується на поверхні електрода, протилежного порі діелектрика. Це супроводжується зміною подвійного електричного шару. У низькочастотних електричних полях внаслідок різниці між усередненою рухливістю іонів в околі пори і у віддаленні від неї, де подвійний електричний шар не змінився, індукується градієнт заряду і, відповідно, внутрішнє електричне поле, вектор напруженості якого лежить у площині комірки. Внаслідок цього виконується умова безпорогової переорієнтації нематика в неоднорідному електричному полі, яке є суперпозицією внутрішнього індукованого і вертикального зовнішнього полів.

В постійних електричних полях процеси переносу і накопичення зарядів є причиною полярнозалежних електрооптичних ефектів в околі пори діелектрика. Для напруг з полярністю “+” U на кремнії, незалежно від величини і знаку ?? нематика, деформований полем нематик релаксує до вихідної орієнтації, причому час релаксації залежить від розміру пори. Початковий(після подачі напруги) розмір області деформації нематика незначно перевищує розмір пори, що може відповідати електростатичному випадку розподілу поля системи точковий електрод(пора)-площина. Тоді релаксація нематика є наслідком поляризації зразка. Внутрішнє поле, індуковане поляризаційними зарядами, є причиною переорієнтації нематика біля пори після виключення зовнішнього поля.

При дії напруги з полярністю “-” U на кремнії спостерігається розвиток нестійкості гомеотропно орієнтованого нематика з ??>0. Встановлено, що час наростання нестійкості складає декілька десятків секунд(при порогових напругах). Розмір області нестійкості на порядок перевищує розмір пори.

Встановлено також, що в структурах М-РК-Д-Н на основі кремнію p-типу розмір області нестійкості нематика біля пори залежить від інтенсивності освітлення структури(He-Ne лазер, 0,63 мкм) в околі даної пори. Для структур на основі кремнію n-типу провідності ефекту впливу світла не виявлено. Це означає, що об’ємний заряд в РК в околі пори діелектрика формується переважно за рахунок струму неосновних носіїв заряду в кремнії(для p-типу провідності) і основних носіїв (для n-типу провідності) (з врахуванням переходу від електронного типу провідності в кремнію до іонного в рідкому кристалі). Тому генерація світлом додаткових носіїв заряду в кремнії p-типу супроводжується збільшенням струму через пору і, отже, збільшенням об’ємного заряду. Таким чином, при дії напруги з полярністю “-” U на кремнії, о області пори діелектрика формується негативний об’ємний заряд. Неоднорідне електричне поле об’ємного заряду є причиною переорієнтації(нестійкості) гомеотропно орієнтованого нематика з ??>0.

Проявом процесів переносу і накопичення зарядів в РК в околі пори є також температурно-індукований перехід нематика від гомеотропної до похилої орієнтації (Г-П) в околі пори діелектрика. Характеристика такого переходу ?T = T1 - Т2 , де Т1 і Т2 відповідно температури Г-П переходу в околі пори і на відстані від неї, залежить від умов електричного збудження структури. Дія напруги з полярністю “+”U на Si не викликає змін температури Г-П переходу, тобто ?Т = 0. Протилежна ситуація спостерігається для напруги з полярністю “-”U на Si. У цьому випадку відбувається зменшення температури початку Г-П переходу на 0,4-0,5 К. Показано, що Г-П перехід відбувається в нематиках з великим ?? >0. Методом зсуву електродів установлено, що Г-П перехід починається на поверхні електроду, протилежній порі діелектрика, обумовлений зв'язаними цією поверхнею зарядами, і починається на більш холодній поверхні комірки. Встановлено також, що ці заряди, зв'язані з поверхнею, не викликають змін температури переходу РК?ізотропна рідина. Такий перехід індукується лише об'ємними зарядами, інжектованими в РК в околі пори при дії постійної напруги з полярністю “-”U на Si.

Показано, що час релаксації, за який ?Т прямує до нуля, складає декілька хвилин і корелює з часом релаксації нестійкості нематика у змінному електричному полі. ?Т можна суттєво зменшити(в 2-3 рази) шляхом дії на комірку напруги з полярністю “+”U на Si. Це пов’язано з електрично стимульованою десорбцією від’ємно заряджених іонів з поверхні електрода. Результати експерименту по дослідженню температурно індукованого Г-П переходу несуперечливо інтерпретуються зміною балансу між тенденціями підкладок, що орієнтують, і поверхневого електричного поля. Адсорбція від’ємних іонів, інжектованих через пору діелектрика, викликає зміну поверхневого поля, і отже, дестабілізацію нематика з ?? > 0.

Четвертий розділ присвячується дослідженню полярного електрооптичного ефекту в гібридно орієнтованому нематику з ?? < 0 структури М-РК-Н. Похила орієнтація нематика формувалася на поверхні кремнію. Показано, що поверхня кремнію відтворювано орієнтує директор у напрямку, що корелює з кристалографічними осями. При подачі на структуру постійної напруги спостерігається полярний електрооптичний ефект (рис.3). Перехід нематика в гомеотропний стан може відбуватися або при дії напруги “-” U на кремнії, або після виключення напруги “+” U на кремнії. Гомеотропного стану нематик досягає тільки у випадку, коли кут нахилу директора ? РК більше деякого критичного. На поверхні кремнію такі кути при звичайних умовах не індукуються. Показано, що критичний кут може бути досягнутий вибором відповідної концентрації орієнтанта або ж збільшенням температури зразка.

Характерні часи електрооптичного ефекту(наростання та релаксації) лежать в секундному інтервалі, що не є характерним для класичних польових електрооптичних ефектів. Особливо виразно це проявляється для часу релаксації ефекту(рис.4).

Полярний ефект не є електрогідродинамічним ефектом в нематику. Напруга появи ефекту при кімнатній температурі складає близько 0,5 В, що значно нижче напруг початку розвитку електрогідродинамічних нестійкостей. Візуально не спостерігається переміщення РК матеріалу і утворення гідродинамічних доменів. Полярний ефект також не є проявом ефектів флексо- та поверхневої поляризації. В умовах гібридної орієнтації нематика з ?? < 0 проявом останніх ефектів було б зменшення кута ?.

Ефект не обумовлений можливою локальною зміною параметра порядку біля катода внаслідок накопичення зарядів. Вибір відповідної концентрації орієнтанта на поверхні кремнію, дозволяє задати необхідний кут нахилу директора при температурі зразка, віддаленій від точки просвітлення, де параметр порядку, як відомо, чутливий до температури і концентрації домішок. При цьому умови реалізації цього ефекту залишаються незмінними. До того ж установлено, що для гібридно-орієнтованого нематика з ?? > 0 дія напруги з полярністю “-“ U на кремнії викликає протилежний ефект(кут нахилу директора зменшується), тобто особливості поведінки нематика зв’язані із знаком ??..

Показано, що ефект може ініціюватися за рахунок фото-е.р.с., що розвивається на p-n переході, сформованому на поверхні кремнію, при його освітленні (Рис.5). Виміри фото-е.р.с. дають величину порядку 80 мВ. Особливість ефекту - його прояв під дією фото-е.р.с.(без зовнішньої напруги), що може бути використано в методах неруйнуючого контролю виробів мікроелектроніки для візуалізації p-n переходів на поверхні кремнію.

Встановлено, що ефект пов'язаний із процесами протікання струму через комірку. У змінних електричних полях ефект не спостерігається.

Досліджувались ВАХ структури М-РК-кремній. Нижня поверхня кремнію легувалась з метою одержання омічного контакту з алюмінієвою підкладкою. Аналіз ВАХ показує, що : 1) струм від напруги залежить по закону J?UK, де 2<K<3, що можна інтерпретуватись інжекційним механізмом протікання струму через структуру; 2) симетричність віток ВАХ означає відсутність енергетичних бар'єрів на межі РК-кремній.

Відомо, що внаслідок адсорбції іонів на поверхні електроду формується поверхневе електричне поле. Загальновизнаним також вважається, що відбувається адсорбція позитивно заряджених іонів. Діелектрична взаємодія поверхневого поля з директором вносить додатковий вклад в поверхневу вільну енергію[3]. При дії постійної напруги відповідної полярності біля поверхні кремнію накопичуються інжектовані негативні іони, частина яких адсорбується на поверхні, зменшуючи поверхневе електричне поле. У цьому випадку баланс протилежно діючих сил (обумовлених діелектричною взаємодією поверхневого поля з директором та стеричними силами) порушується, що приводить до відповідної зміни орієнтації директора.

Можливість впливу іонної адсорбції на кут нахилу директора підтверджують результати і слідуючого експерименту. Біля одного краю гібридної комірки створювали підвищену концентрацію дисоціюючої солі. При цьому спостерігалось, що в міру просування межі підвищеної концентрації іонів комірка просвітлювалась, що зв’язується із зменшенням кута. В області межі зміни кута умови для реалізації полярного ефекту зберігаються.

У п’ятому розділі приведені результати досліджень впливу процесів переносу і накопичення зарядів в РК на електрооптичні ефекти в структурах М-РК-Н-М. Товщина РК у досліджуваних структурах була 0,3-0,6 мкм і контролювалася за інтерференційними кільцями Ньютона. Для зазначених товщин РК при дії напруги спадаюча релаксація струму, характерна для товстих комірок, змінюється на режим наростання струму.

ВАХ структури In2O3-5ЦБ-Si-Al носить нелінійний характер і є несиметричною, причому струми при позитивній полярності “+”U на алюмінії більші. Несиметричність ВАХ обумовлена бар'єром на межі кремній-алюміній. У структурах з омічним контактом Si-М гілки ВАХ симетричні. Наслідком несиметричності ВАХ є процеси протікання струму і накопичення заряду в РК в змінних електричних полях.

В електрооптичному відгуку структури після прикладення зовнішньої змінної напруги простежуються два режими: перший з характерним часом реакції РК порядку 10 мс і другий, порядку декількох секунд. Перший режим спостерігається в структурах, як з омічним, так і без омічного контакту Si-М. Другий режим має місце лише в структурах без омічного контакту на межі Si-М. З аналізу електрооптичного відгуку нематика над n і n+ областями кремнію в одній і тій же структурі М-РК-Si слідує, що другий режим обумовлений формуванням збідненого носіями заряду поверхневого шару кремнію n типу. Показано, що візуалізація n-n+ структур спостерігається в частотному діапазоні 103-106 Гц. “Розморожування” носіїв в РК при низьких частотах супроводжується збільшенням струму зарядів через межу РК-кремній, і отже, перешкоджає формуванню збідненого носіями приповерхневого шару кремнію.

Експерименти з перериванням зовнішньої напруги показують, що час релаксації структури у вихідний стан складає декілька хвилин. З огляду на те, що цей час набагато більше максвелівського часу діелектричної релаксації нерівноважних носіїв заряду в кремнії, формування приповерхневого збідненого шару кремнію викликано полем зарядів, накопичених в РК. Показано, що поріг візуалізації n-n+ областей на поверхні кремнію в структури М-РК-Si не залежіть від товщини РК шару в межах 0,5-20 мкм. Це свідчить про те, що процес збіднення кремнію не викликаний електричним полем електрода, а також, що заряди, через які відбувається збіднення приповерхневого шару кремнію, локалізовані переважно в РК біля поверхні кремнію, і можливо, адсорбовані на його поверхні. Показано, що збіднений стан кремнію не формується в місцях структури з неконтрольованою адсорбцією іонів.

Процес збіднення приповерхневого шару кремнію, завдяки полю накопичених в РК зарядів, може бути покладений в основу розробки просторових модуляторів світла. Показано, що структура М-РК-Si модулює відбите світло у відповідності з розподілом інтенсивності падаючого на неї світла з роздільною здатністю не гірше 40 лін./мм.

Локальні струми через структуру М-РК-Si, викликані генерацією лазернім випромінюванням (He-Ne, 0,63 мкм) додаткових нерівноважних носіїв заряду в кремнії, або зумовлені розвинутою поверхнею механічних дефектів поверхні кремнію, є причиною формування в структурі локалізованих областей з переорієнтованим нематиком(доменів). Процес формування доменів носить пороговий характер по напрузі і спостерігається в нематиках як з ?? < 0, так і з ?? > 0.

Показано, що стаціонарні розміри доменів залежать від рівня збіднення поверхні кремнію. В загальному випадку домени характеризуються підвищеними розмірами порівняно з розмірами джерел локальних струмів. У випадку доменів, індукованих дефектами поверхні кремнію, стаціонарний розмір домену на 1-2 порядки перевищує розмір дефекту. Цей експериментальний факт може бути покладений в основу методу неруйнуючого контролю напівпровідникових пластин в мікроелектроніці.

Час формування доменів складає декілька десятків секунд, що значно перевищує час максвелівської релаксації зарядів у кремнії. Це вказує на іонний механізм процесу формування доменів в РК. Накопичений в області домену іонний заряд проявляється в ефекті додаткового падіння напруги на кремнії після виключення лазерного випромінювання. При цьому спостерігається пропорційність між тривалістю лазерного імпульсу і величиною падіння напруги на кремнії(рис.6).

З аналізу інтерференційних псевдокольорових зображень дільниць структури, які містять домени, індуковані дефектами поверхні кремнію, слідує, що розподіл зарядів в домені в площині комірки неоднорідний: густина накопиченого заряду на периферії домену більша, ніж в його центрі.

З дослідження електрооптичних ефектів можна одержати деяку інформацію про електричні властивості кремнію під доменом. З дослідів слідує, що коли домен, що розширюється, пересікає межу високолегованої області кремнію з протилежним типом провідності, нематик переорієнтовується над цією областю. Це може означати, що концентрація нерівноважних носіїв заряду в кремнії під доменом підвищена і достатня для збільшення зворотного струму p-n переходу на межі з високолегованою областю кремнію.

Висновки

1. Нелінійність струмів і переважання від’ємних носіїв заряду в структурах типу М-РК-Д-Н з мікропорами в діелектрику зумовлюють ряд полярнозалежних електрооптичних ефектів: а) при полярності “+” U на кремнії спостерігається релаксація деформованого електричним полем нематика у вихідний стан, викликана поляризацією зразка; б) при полярності “-” U на кремнії розвивається нестійкость гомеотропно орієнтованого нематика з ?? > 0 в околі пори діелектрика внаслідок накопичення негативного заряду в РК; в) має місце зниження температури початку гомеотропно-похилого переходу нематика внаслідок адсорбції на поверхні електроду накопичених в РК зарядів.

2. Встановлено, що в околі пори діелектрика структури М-РК-Д-Н в низькочастотних електричних полях в гомеотропно орієнтованому нематику з ?? > 0 розвивається нестійкість, а в планарно орієнтованому - передпорогова переорієнтація. Умовою виникнення нестійкості і передпорогової переорієнтації нематика є адсорбція іонів на поверхні електроду. Релаксація нематика до вихідного стану зумовлена десорбцією іонів і носить активаційний характер.

3. Об'ємні заряди в РК, інжектовані через пору діелектрика, викликають збільшення порогових напруг електрооптичних ефектів в низькочастотних електричних полях внаслідок екранування цими зарядами зовнішнього поля.

4. В структурах М-РК-Н с гібридноорієнтованим нематиком з ?? < 0 в постійному електричному полі накопичення інжектоваваних іонів біля електрода з похилою орієнтацією викликає аномальний перехід нематика в гомеотропний стан. Механізм переходу пов'язується зі зміною поверхневого електричного поля внаслідок накопичення зарядів.

5. З аналізу ВАХ, ВКХ і порогових характеристик електрооптичних ефектів в структурі М-РК-Н слідує, що заряди, накопичені в рідкому кристалі (при протіканні струму через структуру) викликають формування збідненого основними носіями приповерхневого шару кремнію. Заряди, через які відбувається збіднення носіями поверхні кремнію, локалізовані переважно біля поверхні кремнію в рідкому кристалі і, можливо, адсорбовані на його поверхні.

6. Локальні струми через межу РК-кремній, зумовлені розвинутою поверхнею механічних поверхневих дефектів кремнію або генерацією лазерним випромінюванням нерівноважних носіїв заряду, індукують формування локальних областей з переорієнтованим нематиком (доменів). Ефект зумовлений накопиченням заряду в РК.

7. Показана можливість створення просторово-часових модуляторів світла на основі структур М-РК-Н, в яких збіднення кремнію індукується полем зарядів, накопичених в РК.

8. Запропоновано методи візуалізації мікродефектів на поверхні кремнію, n+-n, p-n переходів в структурах М-РК-кремній, та пор діелектричної плівки в структурах М-ХРК-Д-кремній з використанням електрооптичних ефектів, зумовлених струмом і накопиченням зарядів в РК.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ПО ТЕМІ РОБОТИ

1. Гриценко Н.И., Кучеев С.И. Контроль дефектности поверхности кремния нематическими жидкими кристаллам // Микроэлектроника. - 1997. - Т.26, №4. - С.341-343.

2. Gritsenko N.I., Kucheev S.I., Moshel M.V. Influence of charge transport and accumulation in metal - dielectric - nematic structures on electrooptic effects // Functional Materials. - 1998. - V.5, № 3. - P.423-425.

3. Gritsenko N.I., Kucheev S.I. Electrooptic effects in a nematic liquid crystal due to a surface polarization at a pore of dielectric of MOS structure // Functional Materials. - 1999. - V.6, - № 3, - P.410-412.

4. Gritsenko N.I., Kucheev S.I. Polar-dependent deformation of director near the pore of dielectric in structure metal-dielectric-nematic-metal. // Proc. of SPIE. -1997. - V.3318. - P.242-244.

5. Gritsenko N.I., Kucheev S.I. Electrooptical response of homeotropic ori-ented nematic having ?? ? ? in inhomogeneous electric field // Proc. of SPIE. - 1998. - V.3488. - P.40-42.

6. Gritsenko N.I., Kucheev S.I. Domaine switch in silicon-nematic-ITO structure // Proc. of SPIE. - 1998. - V.3488. - P.43-45.

7. Гриценко Н.И., Клименко А.С., Кучеев С.И., Мошель Н.В. Метод НЖК в анализе областей легирования полупроводниковых кристаллов. // Сборник научных трудов “Электроника и связь”. - 1998. - В.4. - С.530-533.

8. Gritsenko M.I., Kucheev S.I. Polar electrooptic effect induced by polarized and injected charges // Proc. of VIth Int. Symp. of SID. Crimea (Ukraine). - 1997. - P.66-68.

9. Gritsenko N.I., Kucheev S.I. Electrooptic effect at a pore of dielectric film as possible pixel // Proc. of VII th Int. Symp. of SID. Minsk (Belarus).- 1998. - P.85-87.

10. Gritsenko N.I., Kucheev S.I. Low voltage electrooptic effect for display ap-plication // Proc. of VIIIth Int. Symp. of SID. - 1999. Crimea (Ukraine).- P.230-234.

11. Gritsenko N.I., Kucheev S.I. Electrooptic effects in liquid crystal for testing of silicon surface // Proc. of VIIIth Int. Symp. of SID. Crimea (Ukraine).- 1999. - P.235-238.

12. Гриценко М.І., Кучеєв С.І. Роль адсорбованих зарядів в переорієнтації нематика біля пори діелектрика. - Вісник Чернігівського педуніверситету. Вип. 2. Серія: Фізико-математичні науки. 1999. - С.35-38

13. Gritsenko N.I., Kucheev S.I. Testing of silicon surface by liquid crystals. // Abstracts of Inter. Conf. ”Towards Molecular Electronics”. Poland, -1999. - Р.47.

14. Gritsenko N.I., Kucheev S.I. Field effect in silicon induced by charge in liquid crystal. // Abstract of 16th Int. Liq. Crys. Conf. KENT(USA)- 1996. - P.105.

15. Gritsenko N.I., Kucheev S.I. Temperature driven anchoring transition near pore in metal-dielectric-nematic-ITO cell.// Abstract of ICEROM-3 conference.-Ukraine(Kharkov).-2000,-Р.118.

Цитована література.

1. Ламперт М., Марк П. Инжекционные токи в твердых телах. Пер. с англ. - М.: Мир, 1973. - 416с.

2. Barbero G., Durand G. Ion adsorption and equilibrium distribution of charges in a cell of finite thickness // J. Phys. France.-1999.-v.51, №4.-p.281-291.

3. Barbero G., Durand G. Selective ion absorption and nonlocal anchoring energy of nematic liquid crystals.//J.Appl.Phys. -1990.-V.67. -p.2678-2682.

Кучеев С. И. Электрооптические эффекты в структурах МДП-жидкий кристалл, обусловленные переносом и накоплением зарядов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.15 - Физика молекулярных и жидких кристаллов, - Институт монокристаллов НАН Украины, Харьков, 2000.

В диссертационной работе экспериментально исследуются электрооптические эффекты в структурах МДП - жидкий кристалл, обусловленные переносом и накоплением зарядов в жидком кристалле. Исследуются неустойчивости ориентированных нематических жидких кристаллов c положительной анизотропией диэлектрической проницаемости в окрестности пор диэлектрика в структурах М-нематик-Д-П в постоянных и переменных электрических полях. Установлена взаимосвязь характеристик электрооптических эффектов с процессами протекания и накопления зарядов в ЖК в окрестности поры диэлектрика. Показано, что неустойчивость гомеотропно ориентированного или предпороговая переориентация планарно ориентированного нематика в низкочастотных электрических полях вызвана накоплением и адсорбцией зарядов. Различие в усредненной подвижности ионов в области поры и вдали от нее, в низкочастотных полях вызывает формирование градиента объемного заряда, вследствие чего индуцируется электрическое поле, распределенное в плоскости ячейки. Неустойчивость гомеотропно (планарно) ориентированного директора обусловлена диэлектрическим взаимодействием с результирующим полем, являющимся суперпозицией внешнего и индуцированного внутреннего полей. Деформация нематика происходит в двойном электрическом слое электрода, на котором адсорбированы инжектированные ионы. Объемний заряд в области поры вызывает увеличение порогов электрооптических эффектов. В постоянных электрических полях электрооптические эффекты в окрестности поры имеют полярнозависимый характер и обусловлены накоплением инжектрированного заряда при полярности “-” U на кремнии и поляризацией образца при полярности “+” U. Исследован полярный эффект в гибридно-ориентированном нематике с ????. Установлена взаимосвязь между процессами переноса заряда и электрооптическим эффектом. Показано, что переход нематика в гомеотропное состояние вызывается накоплением инжектированных ионов вблизи электрода с наклонной ориентацией нематика и связывается с изменением поверхностного электрического поля. Исследованы электрооптические эффекты в структурах М-нематик-кремний. Показано, что обедненное состояние кремния формируется вследствие действия поля накопленных в жидком кристалле зарядов. Исследованы свойства областей переориентированного нематика, индуцированные локальными токами через границу ЖК-кремний. Показано, что причиной эффекта является локальное накопление зарядов в ЖК. Показаны возможности использования электрооптических эффектов в МДП-ЖК структурах, основанных на процессах переноса и накопления зарядов, для разработки методов неразрушающего контроля поверхности кремния и диэлектрических пленок на его поверхности, а также пространственно-временных модуляторов света.

Ключевые слова: жидкий кристалл, кремний, диэлектрические пленки, электрооптический эффект, МДП структура.

Кучеєв С.І. Електрооптичні ефекти в структурах МДН-рідкий кристал, зумовлені переносом і накопиченням заряду.-Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністью 01.04.15-фізика молекулярнх та рідких кристалів, Інститут монокристалів НАН України, Харків, 2000.

У дисертаційній роботі експериментально досліджуються електрооптичні ефекти в структурах МДН-рідкий кристал зумовлені переносом і накопиченням зарядів у рідкому кристалі. Досліджуються нестійкості орієнтованих нематичних рідких кристалів з позитивною анізотропією діелектричної проникності в околі пор діелектрика в структурах М-РК-Д-Н у постійних і змінних електричних полях. Показано, що нестійкість нематика в низькочастотних електричних полях викликана накопиченням і адсорбцією зарядів. Об’ємний заряд в околі пори викликає збільшення порогів електроптичних ефектів. У постійних електричних полях нестійкість має полярнозалежний характер. Досліджено полярний єфект у гібридноорієнтованому нематику з ????. Встановлено взаємозв’язок між процесами переносу і електрооптичним еффектом. Показано, що перехід нематика в гомеотропний стан викликається накопиченням інжектованих іонів поблизу електроду з похилою орієнтацією нематика і пов’язується із зміною поверхневого електричного поля. Досліджено електрооптичні ефекти в структурах М-РК-кремній із тонкими шарами рідкого кристалу. Показано, що збіднений стан кремнію формується внаслідок дії поля накопичених в РК іонів. Показані можливості використання електроптичних ефектів у МДН-РК структурах, заснованих на процесах переносу і накопичення зарядів, для розробки методів неруйнуючого контролю поверхні кремнію та діелектричних плівок на його поверхні, а також просторово-часових модуляторів світла.

Ключові слова: рідкий кристал, кремній, діелектричні плівки, електрооптичний ефект, МДН структура.

Kucheev S.I. Electrooptic effects in MOS - liquid crystal structures due to transfer-ring and storage of charges. Manuscript.

Thesis for scientific degree of candidate of physical and mathematical sciences, speciality 01.04.15 - Physics of molecular and liquid crystals, Institute of Single Crystals of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kharkiv, 2000.

The dissertation is devoted to the experimental investigation of electrooptic effects taking place in MOS-LC structures which are due to transferring and storage of charges in a liquid crystal layer. The instabilities of oriented nematic liquid crystals having positive anisotropy of dielectric permitivity in the vicinity of pores of the dielectric film in M-LC-D-S structures under dc and ac electric field are investigated. It has been found that there is a connection between the characteristics of electrooptic effects and processes of charge accumulation. It is shown that the instability of nematic under the action of low ac voltage induced by ion accumulation and adsorption in the vicinity of the pore takes place. The space charge causes the increase of electrooptic effect threshold. Under the action of dc voltage the electrooptic effects near the pores have polar character and are due to accumulation of injected charge by “-” U polarity on silicon and polarization of sample by “+” U polarity respectively. Polar electrooptic effect in hybrid oriented nematic having ???? was investigated. It is shown that the transition of nematic to the homeotropic state is induced by accumulation of negative injected ions near electrod surface which has oblique orientation of nematic. It has been found that the depleted state of surface layer of silicon is formed by the action of electric field of the charge accumulated in liquid crystal. The properties of the regions with reoriented nematic induced by local current through liquid crystal - silicon interface have been investigated. It is shown that these effects are due to charge accumulation in liquid crystal. Possibilities to use the electrooptic effects in MOS-LC structures based on charge processes in LC layer for the design of nondestructive methods of silicon surface and its dielectric films testing and spatial-time modulator of light are proposed.

Key words: liquid crystal, silicon, dielectric films, electrooptic effects, MOS structures.