Propriétés électriques et optiques de structures tunnel métal

Propri´et´es ´electriques et optiques de structures tunnel
m´etal-di´electrique-m´etal
A. Tosser, P. Thureau
To cite this version:
A. Tosser, P. Thureau. Propri´et´es ´electriques et optiques de structures tun-
nel m´etal-di´electrique-m´etal. Journal de Physique, 1967, 28 (8-9), pp.642-652.
<10.1051/jphys:01967002808-9064200>.<jpa-00206564>
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642.
PROPRIÉTÉS
ÉLECTRIQUES
ET
OPTIQUES
DE
STRUCTURES
TUNNEL
MÉTAL-DIÉLECTRIQUE-MÉTAL
(1)
Par A. TOSSER et P.
THUREAU,
Laboratoire
de
Physique Expérimentale,
Faculté
des
Sciences de
Caen.
Résumé. 2014
La
nature
de
la
cinétique
de
conduction
et
de l’électroluminescence
de
struc-
tures
tunnel
du
type
Al/Al2O3/Au
et
Al/CaWO4/Au,
à
77
°K et
290
°K,
et l’existence d’un
effet
photovoltaïque permettent
de
supposer
l’existence d’une zone
semi-conductrice
de
type
n
à
l’interface
Al/diélectrique
et
la
présence
de
niveaux-pièges
au
voisinage
des
interfaces
métal/
CaWO4 2014
avec
de nombreux
quasi-niveaux
de
Fermi 2014
et au
voisinage
de
l’interface
Al2O3/Au
2014
avec deux
quasi-niveaux
de Fermi
dont
l’énergie
ne
dépend
pas
de
l’épaisseur
de
diélectrique.
Abstract.
2014
experimental
data
on
the
kinetics
of
conduction
and
electroluminescence
in
Al/Al2O3/Au
and
Al/CaWO4/Au
tunnel
structures,
at
77
°K and
290
°K,
and
a
photovoltaic
effect,
allow
us to
suppose
the
existence
of a
semiconducting
zone at the
Al/dielectric
interface
and the
presence
of
traps
near
metal/CaWO4
interfaces
2014
with
several
quasi
Fermi levels
2014
and near the
Al2O3/Au
interface
2014
with two
quasi
Fermi
levels
whose
energy
is
independant
of
dielectric thickness.
LE
JOURNAL
DE
PHYSIQUE
TOME
28,
AOUT-SEPTEMBRE
1967, :
I.
Introduction.
-
De
nombreux
auteurs
[1
a
13]
ont
d6jA
decrit
des
ph6nom6nes
transitoires
accompa-
gnant
la
conduction
electrique par
effet tunnel dans
des diodes
du
type
Al/A’203/m6tal.
La
cin6tique
de
conduction dans de
telles
structures
a
aussi
fait
l’objet
de
nombreux travaux
[3
a
9,
12,
14 a
21]
qui
ont
permis
d’estimer la
valeur
de
la
masse effective de
1’61ectron
(variant
entre
m et
m/9)
et de
calculer les
potentiels
relatifs de
sortie
métal/isolant,
les
valeurs
obtenues variant du
simple
au
triple.
L’effet
photo-
voltaique,
connu
depuis longtemps [14],
n’a
pas
6t6
systématiquement
6tudi6,
et les
descriptions
qu’en
font
les
divers auteurs
[11, 14,
22
a
26]
sont
contradictoires
en
ce
qui
concerne tant la valeur de la tension
photo-
induite
que
la
longueur
d’onde
du
rayonnement
excitateur. Le d6saccord se retrouve
parmi
les
divers
travaux concernant
1’electroluminescence de
couches
d’alumine
de
diverses
6paisseurs
[3,
5,
12,
16,
27 a
34]
au
sujet
des conditions de
son
apparition,
de la
nature
du
phenomene
et
de
la
répartition
spectrale.
Aussi,
les mod6les de bandes
imagines
par
quelques-uns pour
expliquer
l’un ou
1’autre de
ces
ph6nom6nes
sont-ils
assez diff6rents.
Nous
avons tent6
d’6tablir
pour
1’alumine
de
ces
structures
tunnel
un
modele
qui
rende
compte
a
la
(1)
Ce travail
a
fait
l’objet
des
contrats
DRME
nos
63.34.088
et
66.34.053
et constitue une
partie
de
la
these
de
Doctorat
es
Sciences
Physiques
(C.N.R.S.
no
A.0.1311,
a
paraitre) que
doit
presenter
A.
Tosser
a
la
Faculte
des
Sciences
de
Caen.
fois de
la
formation,
de
la
cin6tique
de
conduction,
des
effets
photovoltaiques
et de 1’electroluminescence
observée.
Des
experiences
pr6liminaires
ayant
montre
que
la
luminance
des diodes électroluminescentes
du
type
Al/A’203/CaWO4/Au
était
une fonction
non lin6aire
du courant
tunnel
[35],
nous
avons
6tudi6 les diodes
du
type Al/CaW04/Au
ou les memes
ph6nom6nes
se
produisent
[44]
et nous avons
tent6
d’en determiner
les causes.
II.
Mdthode
expdrimentale.
-
Sur
un
support
en
verre
tres
propre,
ou
sur une
lamelle
d’aluminium
oxyd6e anodiquement,
on
depose
par
evaporation
dans un vide de
pompe
ionique
deux
languettes
d’Al
de
99,99
%
de
puret6
(1’aluminium
de
puret6
nu-
cl6aire
a
99,999
%
donne des
resultats
en tous
points
similaires).
L’alumine est obtenue
ensuite
par oxydation
super-
ficielle de
ces
languettes
a 1’air
dans
un
four,
a
une
temperature comprise
entre
3600
et
460 °C ;
la duree
d’oxydation
determine
1’epaisseur
du
di6lectrique.
La
mince couche
de
tungstate
de calcium
est
obte-
nue
par evaporation
d’une
poudre
de
tungstate
de
calcium chauffée
directement ou
expos6e
au
faisceau
d’un canon
a
electrons.
L’6vaporation
de douze
languettes
transversales
d’or,
d’6paisseur
reproductible,
permet
d’obtenir
douze
diodes sur
chaque support ;
1’epaisseur
d’or est
contr6l6e
par
le
battement
de
deux
oscillateurs
à
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01967002808-9064200

643
quartz
dont
l’un,
place
dans
1’evaporateur,
reqoit
une
partie
de la
pellicule
d’or
6vapor6
comme
surcharge
(systeme
Lostis,
brevet
C.N.R.S.).
Des relev6s
photographiques
sur
des
oscilloscopes
d6clench6s
par
l’impulsion
de
tension
qui polarise
la
diode
permettent
d’effectuer simultan6ment les
me-
sures
6lectriques
et
photoélectriques,
l’appareil photo-
sensible
6tant
un
photomultiplicateur
type
RCA IP 21
ou
IP
28.
Pour
éviter
un échauffement excessif
de
la
structure
lors
du
passage
de
courants
6lev6s
(2 A/cm2),
la diode
est
polaris6e
par
une tension
impulsionnelle,
de
duree
assez
grande pour que
l’on
puisse negliger
les
effets de
capacite ;
cette
impulsion
est une
dent
de
scie
de 2 ms
de
dur6e,
commandee
en
coup par coup
ou
de
faqon
r6currente
a
tres basse
frequence.
Pour 1’etude de
1’effet
photovoltaique,
les
sources
de lumi6re sont
des
ampoules
a
vapeur
de
mercure,
en
silice
ou en
suprasil,
excit6es en haute
frequence ;
les
mesures
des courants
se font a
impedance
nulle et
les
mesures
de tension
avec
une
impedance
d’entr6e
de
l’ ordre de
1013 Q
(appareils
Lemouzy).
Des
filtres interferentiels
permettent
de
determiner
les niveaux lumineux
de 1’electroluminescence de 250
en
250
A,
a
partir
de
3
500 A.
La determination
pr6-
cise
de la
position
des
bandes
d’émission
s’obtient
par
interpolation
en
supposant
que
les
courbes
de l’inten-
site
lumineuse en
fonction
de
1’energie
de
1’emission
sont
gaussiennes.
Des resultats
exp6rimentaux
nous
m6neront ainsi
successivement a
postuler
1’existence
d’une
zone semi-
conductrice de
type
n a
l’interface
Al/diélectrique,
de
niveaux-pièges
a l’interface
A’203/Au
et,
lorsque
le
tungstate
est
6vapor6
grace
a une
spirale
chauffante,
de
niveaux-pièges
aux
interfaces
Al/CaW04
et
CaWO,/Au.
Convention.
-
Le
potentiel
de
sortie relatif de
1’aluminium
par rapport
au
di6lectrique
6tant
plus
faible
que
celui
de
l’or,
on
appelle
directe toute tension
rendant l’or
positif
par rapport
a
l’aluminium.
III.
Btude de l’interface
All A1203.
-
III .1.
Exis-
TENCE D’UNE
ZONE
DE
RACCORDEMENT.
-
11 .1 .1.
Effet
tunnel a 77
OK.
-
Fisher et Giaever
[14]
avaient
montre
la
necessite
de
supposer
1’existence
d’une zone
de raccordement a l’interface
Al/A1203
pour justifier
le
renversement de
la
direction de
redressement
avec
la
temperature ; reprenant
cette
hypothèse,
Pollack
et Morris
[7]
avaient montre
que
cette
zone
devait
etre
logiquement
du
type
n,
mais son
existence
n’avait
pas
6t6
mise en
evidence.
On
a
d6jh
montre
[19] qu’au-delh
du
coude
de
la
caractéristique
tunnel
directe
le
courant
I
varie
avec
la
tension V
suivant
la loi
th6orique
d6duite
des
equations
de
Simmons
[36,
37,
38]
qui
est
Log Il (V - V ,)2 - Ba (D3’2/ .,, (V - V 0),
où Vo est la
difference
des
potentiels
de
sortie
de
l’or
et
de
1’alumi-
nium,
a
1’epaisseur
de la
barriere
de
potentiel,
I&#x3E; Al
le
potentiel
de sortie
de 1’aluminium
par rapport
a la
FIG.
1.
-
Structures
Al/A’203/Au.
-
A
77
OK,
la conduc-
tion
tunnel
est conforme
aux lois de
Simmons
en di-
rect
[1]
et,
pour
quelques
valeurs
particulieres
de
l’ épaisseur,
en
inverse
[2].
bande
de conduction de 1’alumine.
La
loi de
variation
de
Ba(D 3/2 ,
en
fonction
de d,
epaisseur
d’isolant d6duite
de
la mesure de la
capacite (en
admettant Er
=
8),
est une
droite
qui
ne
passe
pas par
l’origine
( fig. 1)
et
l’on
peut
admettre
que
a
= d
- do
ou
do
=
35
A,
ce
qui
laisse
supposer
1’existence d’une
zone
de
raccor-
dement a l’interface
Al/AI203’
6tant
donne
que
des
modifications
profondes
de
l’interface
A’203/Au
(la
formation
6tudi6e au
paragraphe
suivant)
ne
modifient
pas
les
caractéristiques
tunnel
dans
ce domaine
de
tension
(V
=
5
volts).
En
polarisation
inverse,
la
loi
th6orique
d6duite
des
equations
de Simmons
Log
I/(V -
V 0)2 -
BaO%£j ( V
+
Vo)
n’est
pas
vérifiée
en
general.
En
adoptant
le
syst6me
de
coordonn6es
Log
I,
Log
V,
1’ensemble des courbes tunnel corres-
pondant
aux diff6rentes
6paisseurs
de
di6lectrique
est
represente
avec une bonne
approximation
par 1’equa-
tion
IN vp ;
p
varie avec
1’epaisseur
d’isolant mesu-
r6e d
( fig.
2),
en
presentant plusieurs
maximums.
En
FIG.
2.
-
Styuctuyes
Al/ A1203/ Au.
-
I./a
conduction
tunnel
inverse a
77
°K
est
conforme
a
la
loi
I N
V p.
ne
consid6rant
que
les
diodes
dont
1’epaisseur
d’isolant
correspond
a
un
minimum de la
courbe
p(d),
on
constate
que
la loi
th6orique
de
conduction
est
bien
v6rifi6e
( fig, I )
et l’on
doit a
nouveau écrire
a = d -
do
ou
do
=
30
A,
ce
qui
confirme
1’existence
d’une
zone
de
raccordement entre Al et
A1203.

644
Ill .1.2.
Effet
tunnel
a
290
OK.
-
En
direct,
en
deçà
du
coude de
la
courbe
tunnel,
le
courant
I
varie avec
V
suivant la
loi
d6duite
des
expressions
donn6es
par
On
constate
une
petite
d6croissance du
produit
Ba
avec
la
tension
V ( fig.
3), que justifie
la
presence
d’une zone
de
raccordement.
III.2.
NATURE
DE
LA
ZONE DE
RACCORDEMENT. -
Effet
photovoltaique
a
290
OK.
Lorsque
la contre-
electrode
d’Au est
6clair6e
par
un flux lumineux
de
4,88
eV
d’6nergie,
une
tension
photovoltaique
apparait
aux
bornes
de
la diode
(en
circuit
ouvert),
rendant l’or
positif
par rapport
a
l’aluminium.
Il
est
donc
n6cessaire
de
supposer
1’existence
a
l’inter-
face
Al/A’203
d’une zone
semi-conductrice
de
type
n.
Le
meme
phenomene
se
produit lorsque
la
diode
est
irradi6e a
travers
1’epaisse
electrode
d’aluminium,
mais la
tension
photovoltaique
est
de
bien
plus
faible
valeur.
IV.
Btude de
1’interface
A1203/Au.
-
IV .1.
Exis-
TENCE DE
MIGRATIONS
IONIQUES.
-
Formation de la
jonction.
Lorsque
les diodes sortent de
1’evaporateur,
on
mesure
leur
capacite
au
pont
(a
1
kHz)
et
sous
une
tension
6gale
a
0,2
V.
Ces conditions
exp6rimen-
tales
masquent
1’effet
de resistance
negative,
qui
est
une
d6croissance
du courant I
traversant
la diode
lorsque
la
tension V
augmente ;
ce
phenomene
se
produit
en
effet dans
un
domaine de
tres faibles
ten-
sions
et,
comme
il
n’apparait
qu’une
fois
(en
direct ou
en
inverse),
il
suffit
d’une tension de
l’ordre de
0,1
V
inverse
(ou
0,2
V
direct)
pour
1’eliminer des
exp6-
riences
ult6rieures.
Apr6s
la mise
sous tension n6ces-
sit6e
par
la
mesure
de
la
capacite,
la
caractéristique
de
conduction
directe
I/V
n’6volue
pas
avec
le
temps,
a
290
OK,
tant
que
la
diode ne
s’6chauffe
pas
par
effet
Joule.
Une
tension
continue
inverse
appliqu6e
pen-
dant
1
ms,
inferieure
a
0,5 V,
modifie irréversiblement
la
caractéristique, provoquant
l’augmentation
de
la
resistance
a
l’origine,
accentuant
ainsi
le
coude,
sans
modifier
par
ailleurs la
forme
de la
courbe.
Cette
caractéristique
est
alors
tres
stable,
elle ne
«
vieillit »
pas.
Par
contre,
sous
une
tension
de
polarisation
in-
verse,
impulsionnelle,
r6currente
(2
ms,
10 Hz),
et de
niveau
donne,
la
caractéristique
tunnel
6volue
nota-
blement
au
cours
du
temps ;
le
coude
de cette
courbe
qui correspond
au
d6but
du
regime
de croissance
exponentielle
du
courant
en
fonction
de la
tension,
se
deplace
a
chaque impulsion
vers une valeur
plus
6lev6e
de la
tension,
puis
se stabilise
( fig. 4) ;
la
caractéristique
directe n’est
pas
modifi6e. La formation ainsi
mise
en
evidence
permet
d’obtenir
des
caractéristiques
elec-
triques
stables et
reproductibles
a
plusieurs
jours
d’intervalle,
tant
que
l’on
ne
d6passe pas,
en
inverse,
le
niveau de tension initial. Cette formation
s’accompa-
FIG. 4.
-
Structures
Al/A’203/Au.
-
Processus
de
forma-
tion. Courbes
de conduction
tunnel
inverse
a 290
°K
en
fonction du
rang
de
l’impulsion
de tension
- a
=
60
A.
gne
d’une faible d6croissance
relative de
capacite
(2 à 3 %).
Au cours de
la
formation,
l’électroluminescence
qui
apparait
(et accompagne
la
conduction tunnel
inverse)
est telle
que
la luminance
L
de 1’emission
lumineuse
est
fonction lin6aire
du
courant
I a la
premiere impul-
sion,
puis
devient fonction
supralineaire,
soit
L-
Iln,
1’exposant m
ne
prenant
sa valeur
definitive
qu’au
bout
d’une trentaine
d’impulsions
de 2 ms de
duree
( fig.
5).
Le
phenomene
6voluant
a
chaque
impulsion,
FIG.
5.
-
Structures
AljAI203/Au.
-
Processus
de for-
mation.
Impulsions
de
luminance,
en
électrolumines-
cence inverse
a
290
OK,
en
fonction du
rang
de
l’impul-
sion
de
tension
- a
=
55
A.
une
etude
statistique portant
sur la
répartition
spec-
trale de 1’electroluminescence
aux
premiers
instants
de
la
formation a montre
la
presence
des bandes
de 1’elec-
troluminescence
directe,
et elles
seules
(3,4-2,54
et
2,84
eV) ;
une
quatri6me
bande
propre
a
l’électrolumi-
nescence inverse
apparait
au cours
de
la
formation,
vers
2,1
eV, et,
finalement,
1’emission
est
principalement

645
centr6e
sur
cette
quatri6me
bande.
On
note aussi
qu’A
flux
ultraviolet constant la
tension
photovoltaique
in-
duite
aux bornes de
la
diode
(en
circuit
ouvert)
croit
d’une
tres
faible valeur
(10
a
30
mV) jusqu’a
une
valeur
sup6rieure
a 1
V,
a mesure
que
la formation
se
fait.
L’utilisation
d’impulsions
de
plus
longue
duree
abr6ge
le
temps
de
formation,
tant
que
cette
durée
est
inferieure
a
20 ms.
Au-dela,
les
phénomènes
changent
de nature et
ressemblent
aux
ph6nom6nes
de
derive
induits
par
champs
continus
inverses
decrits
au
paragraphe
suivant.
La duree
de la formation est
r6duite, si,
au
sortir
du
four,
les
diodes ont refroidi dans un vide
primaire ;
et
réciproquement,
les diodes
ayant
refroidi
dans une
atmosphere
d’ozone se forment
plus
lentement
que
celles
ayant
refroidi
a
1’air.
Les
remarques pr6c6dentes
permettent
de
penser
que
la
variation
de
capacite
est
due
a la
migration
d’ions
de
gaz
adsorb6,
probable-
ment
d’oxyg6ne
et
peut-etre
aussi
a la
migration
d’ions
or,
la conductibilité initiale
masquant
1’effet
des
6tats
d’interface
A1203/Au,
responsables
d’une
electroluminescence
supralineaire.
IV . 2.
NATURE
DES
IONS.
-
Derives
irr6versibles
de
capacite.
Les
propri6t6s
6lectriques
d’une diode formée
par
une
tension
impulsionnelle
r6currente
6gale
a
5
V
sont
modifi6es
par
une
tension continue inverse
sup6-
rieure;h
1
V.
La
capacite
des
diodes
mesur6e
en
champ
alternatif
varie avec
la
tension continue
qui
leur a
ete
pr6alablement
appliqu6e
pendant quelques
se-
condes,
suivant
des
courbes
obtenues
avec une bonne
reproductibilité
(fig.
6).
Les memes courbes sont
FIG. 6.
-
Structures
Al/AI,O,/Au.
-
D6rives irréversibles
de
capacite
a
290
OK
sous
l’action d’une
tension
inverse,
pour
diverses
valeurs
initiales de
la
capacite.
obtenues
en
superposant
le
champ
alternatif de
me-
sure au
champ
continu.
Il
existe
donc,
a
l’interface
A1203/Au,
une
zone
ou
peuvent
se
produire
des
migrations
ioniques
lentes ; l’accroissement
de
1’6pais-
seur
efficace avec
la
tension
inverse
indiquant
qu’il
s’agit
d’une
migration
d’ions
positifs, par
exemple
des
ions Au inseres
dans le
r6seau.
Les
courbes
de conduction directe
obtenues
pour
deux
diodes
de
meme
capacite pour
l’une,
avant
derive,
et
pour
1’autre,
apr6s
derive,
ne
coincident
pas
exactement.
La derive de
capacite
affecte
donc
aussi
un
peu
la
region
semi-conductrice situee a
l’inter-
face
Al/Al2o3.
IV. 3.
EXISTENCE
DE
NIVEAUX-PIEGES LIES
A
L’INSER-
TION D’IONS DANS
LE
RESEAU.
-
IV. 3 .1.
Effet
tunnel
inverse a
77
OK.
-
Comme
on
l’a vu
précédemment,
la loi de variation du
courant
I en
fonction
de
la
tension
Vest
representee
avec
une
bonne
approxima-
tion
par
la loi
1 N
Vp.
P
varie en fonction de
la
capacite
de la
diode en
presentant
plusieurs
maxi-
mums,
alors
que, pour
les
minimums,
la
cin6tique
de
conduction
est
conforme
aux lois
th6oriques
6nonc6es
par
Simmons. La
presence
d’une zone
ionique
a
l’interface
A1203/ Au
permet
de
justifier
la
presence
de
maximums.
En
effet,
les
ions inseres dans le
reseau
peuvent
donner naissance
a
des
niveaux-pièges [39]
dont certains
quasi-niveaux
de Fermi
renforceraient
au
voisinage
de cette
6nergie
la
densite
d’6tats
des
electrons
[40].
Cette resonance
6nerg6tique
laisse
pr6voir
un renforcement simultan6
de la
conduction
et de
la
luminance
en fonction
de
1’epaisseur
d.
En
adoptant
cette
hypothese,
nous
pouvons
pr6voir
1’al.
lure des
ph6nom6nes 6lectriques
associ6s.
Consid6rons
en effet
un
piege poss6dant
un
quasi-niveau
de Fermi
d’6nergie
so
et 6tudions les
differents
ph6nom6nes
observables
en
fonction
de la
difference
d’énergie
entre
ce
quasi-niveau
et
le
niveau Fermi
de
l’or.
Lorsque
ces deux
niveaux ont
sensiblement
meme
6nergie,
la densite
d’état des electrons tunnel se trouve
accrue
par
resonance
6nerg6tique
autour de 1’6ner-
gie
so
par
rapport
a
la conduction
sans
piege ;
comme
la
majeure partie
du courant tunnel est fournie
par
les electrons
ayant
une
6nergie 6gale
a
celle
du niveau
de
Fermi de
l’or,
le courant est
augmente ;
le renfor-
cement
de la densite d’6tat
qui
est
maximal
pour
co
est
plus
faible
pour
toute valeur
e
de
1’6nergie
diff6-
rente
de Eo
(la
resonance
est
aigue) ;
les radiations
6mises
en electroluminescence directe
ayant
des
niveaux
comparables,
il
parait
16gitime
d’admettre
que
la
probabilite
de recombinaison
radiative varie
peu
avec
1’6nergie
de
la
transition;
la
cin6tique
de la
radiation
d’6nergie
e
en fonction du courant
donne
donc
une indication sur la valeur de
n(e),
cette
cin6-
tique
6tant
a croissance d’autant
plus
rapide que
1’6nergie
de la radiation 6mise est
plus
proche
de
Eo ;
on
peut
estimer
ainsi,
pour
une
diode
donn6e,
la
valeur
du
quasi-niveau
de Fermi a
partir
des
cin6tiques
des
dif’erentes
radiations
6mises.
Lorsque
le
quasi-niveau
de Fermi
du
piege
et
le
niveau de
Fermi
de l’or ont
des
energies
différentes,
la
majeure
partie
des
electrons tunnel
appartient
a
un