Исследования электрофизических свойств структур металл-диэлектрик-полупроводник и металл-диэлектрик-металл с изолирующими слоями из сверхтонких (менее 5 нм) плёнок окисла кремния или сегнетоэлектрика или high-k диэлектрика и устройств на их основе.

Экспериментальные исследования туннельной проводимости диэлектриков, определение потенциального профиля в тонких и сверхтонких изолирующих слоях МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) – структур.

Экспериментальные исследования процессов рождения и аннигиляции центров генерации электронно-дырочных пар в полупроводнике при термополевых воздействиях на МДП– структуры со сверхтонкими изолирующими слоями.

Вольт-емкостная и релаксационная спектроскопия пограничных состояний и объемных уровней у гетероконтактов полупроводник/диэлектрик, полупроводник/полупроводник, металл/диэлектрик и металл/полупроводник.

Развитие комплексного методического аппарата научных исследований и физической диагностики гетероструктур полупроводник/диэлектрик, полупроводник/полупроводник, металл/диэлектрик и металл/полупроводник.

Экспериментальные исследования электрофизических свойств сегнетоэлектрических плёнок различных составов и гетероструктур на их основе.

У устойчивых к полевому и термическому стрессам структур nSi-SiO₂ (37 и 42 Å)-n⁺ полиSi обнаружена резкая асимметрия туннельных вольт-амперных характеристик. При инжекции электронов из полупроводника в затвор в интервале напряжений на окисле от 0 до 3.5 вольт ток увеличивается на 5 порядков, а при том же диапазоне полей, но обратной полярности - всего на один. Для объяснения асимметричного вида характеристик следует считать, что потенциальный рельеф в изоляторе имеет максимум, существенно смещённый к границе окисла с поликремнием, и потенциал со стороны полупроводника плавно спадает к контакту с подложкой.

• Гольдман Е.И., Кухарская Н.Ф., Левашов С.А., Чучева Г.В. Определение параметров структур металл-диэлектрик-полупроводник со сверхтонким изолирующим слоем из высокочастотных вольт-фарадных характеристик // ФТП. – 2019. – Т.53, N 1. –С. 46-49.
• Белорусов Д.А., Гольдман Е.И., Нарышкина В.Г., Чучева Г.В. Устойчивые к полевым повреждениям структуры кремний − сверхтонкий (4,2 нм) окисел – поликремний // ФТП. – 2021. – Т. 55, N 1. – С. 24-27.

Из экспериментальных туннельных вольт-амперных характеристик структур n⁺-Si−SiO₂−n-Si с толщиной окисла 3.7 нм, стабильных к допробивным электрическим или термическим воздействиям, восстановлен реальный рельеф изолирующего потенциала в SiO₂. Изолирующий барьер занимает до половины номинального объёма диэлектрического промежутка, сдвинут к полевому электроду, его склон в сторону полупроводниковой подложки гораздо более пологий по сравнению с примыкающим к затвору, а эффективная масса туннелирующего электрона в разы больше типичного для массивного окисла кремния значения. Такая физическая картина объясняет наблюдаемую у этих структур резкую асимметрию полевых зависимостей тока по отношению к полярности напряжения.

• Гольдман Е.И., Левашов С.А., Чучева Г.В. Особенности характеристик устойчивых к полевым повреждениям структур кремний-сверхтонкий окисел-поли кремний // ФТП. – 2019. – Т.53, N 4. – С. 481-484
• Гольдман Е.И., Чучева Г.В., Шушарин И.А. Форма изолирующего потенциала, создаваемого сверхтонкими слоями окисла кремния // ФТП. – 2022. – Т. 56, N 3. – С. 328-334.

Обнаружено, что перезарядка электронных ловушек в буферном слое на контакте сегнетоэлектрика или high-k диэлектрика с кремниевой подложкой может существенно экранировать внешнее электрическое напряжение и не давать развиваться эффекту поля. Показано, что наличие на высокочастотной вольт-фарадной характеристике объекта двух плато не свидетельствует о реализации режимов глубокого обеднения и сильного обогащения в полупроводнике. Оба емкостных плато в случае сильного экранирования объясняются пинингом уровня Ферми в Si на электронных ловушках буферного слоя с высокой концентрацией и U-ной формой спектра. Препятствия по развитию эффекта поля, в том числе по открытию канала неосновных носителей заряда, катастрофически сказываются на работоспособности некоторых устройств, в частности, ячеек энергонезависимой памяти FeRAM, принцип считывания информации о состоянии которых основан на измерении проводимости данного канала под затвором у обеднённой поверхности полупроводника. Сформулирован простой алгоритм вычисления изгиба зон в полупроводнике по минимальным значениям высокочастотной ёмкости образца в области обедняющих воздействий на подложку. Применение данного алгоритма позволяет по экспериментальным вольт-фарадным характеристикам точно определить возможность считывания информации по проводимости канала неосновных носителей заряда.

• Goldman E.I., Chucheva G.V., Belorusov D.A. On the form of high-frequency voltage-capacitance characteristics of metal-insulator-semiconductor structures with a ferroelectric insulating layer BaxSr1-хTiO3 // Ceramics International. – 2021. – V. 47, N 15. –P. 21248-21252
• Белорусов Д.А., Гольдман Е.И., Чучева Г.В. Слабое проявление эффекта поля в структурах металл-диэлектрик-полупроводник с сегнетоэлектрическим изолирующим слоем Ba1-хSrхTiO3 // ФТТ. – 2021. – Т. 63, N 11. – С. 1887-1889.
• Belorusov D. A., Goldman E. I., Chucheva G. V. Ultrathin (3.7 nm) Silicon Oxide Layers with a Low Concentration of Broken Bonds on the Contact with a Semiconductor // Journal of Communications Technology and Electronics. – 2022. – Vol. 67, Suppl. 1. – P. S115–S118.

Проведены комплексные исследования методами сканирующей зондовой микроскопии локальных пьезоэлектрических свойств, а также поверхностного потенциала тонких пленок Ba_xSr_1-xTiO₃, x=0.7-0.8 (BST) различной толщины, синтезированных на полупроводниковых, металлических и диэлектрических подложках. Получены значения эффективной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь структур на основе BST пленок от толщины, температуры и типа проводимости кремниевой подложки. Показано, что с увеличением температуры измерений графики вольт-фарадных характеристик сдвигаются в сторону положительного смещения, а ширины их петель гистерезиса уменьшаются вплоть до схлопывания при температурах выше 160°С. Уровни плато с максимальной ёмкостью остаются практически неизменными, и только при нагреве выше 150°С начинают уменьшаться. Такое поведение связано с фазовым переходом из сегнетоэлектрического в параэлектрическое состояние и с эффектами запаздывания вследствие развития флуктуационных процессов, лежащих в основе размытия этого перехода.

Изображения поверхности пленок: a) — BST560, b) — BST620

Изменения вольт-емкостных характеристик структур Ni-Ba_0.8Sr_0.2TiO₃-Si после полевых воздействий различной амплитуды: а) – общий вид кривых, b) – петля гистерезиса в увеличенном масштабе. Кривые: чёрная – исходная, красная - после стресса -4В, зелёная - после стресса -8В, синяя - после стресса +4В, оранжевая - после стресса +8В

• Афанасьев М.С., Киселев Д.А., Левашов С.А., Сивов А.А., Чучева Г.В. Влияние температуры синтеза на микроструктуру и электрофизические свойства мдп-структур на основе сегнетоэлектрических пленок // ФТТ. – 2019. – Т. 61, N 10. – С. 1948-1952.
• Афанасьев M.C., Киселев Д.А., Левашов C.A., Сивов A.A., Чучева Г.В. Создание и исследования структур металл-диэлектрик-полупроводник на основе сегнетоэлектрических пленок // ФТТ. – 2020. – Т. 62, N 3. – С. 422-426.
• Goldman E.I., Chucheva G.V., Afanasiev M.S., Kiselev D.A. Changes in the structural and electrophysical properties of Ba_0.8Sr_0.2TiO₃ films with decreasing thickness // Chaos, Solitons &   Fractals. – 2020. – Vol. 141. – P. 110315.
• Белорусов Д.А., Гольдман Е.И., Чучева Г.В. Влияние сильного статического электрического поля и нагрева на характеристики высокочастотного импеданса структур металл-сегнетоэлектрик–полупроводник // ФТТ. – 2022. – Т. 64. – N 5. – С. 556-559