Conduction electronique dans les couches minces d'oxyde anodique formes sur le titane

Thin Solid Films, 59 (1979) 361-372 © Elsevier Sequoia S.A., Lausanne--Printed in the Netherlands

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CONDUCTION ELECTRONIQUE DANS LES COUCHES MINCES D'OXYDE ANODIQUE FORMES SUR LE TITANE G. JOUVE ET J. GOUBE Laboratoire de Mktallurgie Physique, associb au CNRS, Universitb de Paris XI, 9140.50rsay Cbdex (France) (Requ le 11 Septembre, 1978; accept6 le 28 Septembre, 1978)

Les propri6t6s de conduction dectronique de films minces anodiques form6s sur le titane, par voie intentiostatique, sont 6tudi6es par le biais de structures m6talfilm-m~tal. Le relev6 des caract&istiques courant-tension des structures Ti--oxydeAI et Ti-oxyde-Au, a permis de mettre en 6vidence qu'aux plus faibles valeurs de tension appliqu6es, le processus de conduction est ohmique. En augmentant les valeurs de tension, le courant, limit6 par la charge d'espace, d'evient proportionnel au carr6 de la tension. Aux valeurs de tension les plus 61ev6es, un m~canisme "volumique" a 6t6 mis en 6vidence, qui est bien d6crit par un processus d'6mission de type Poole--Frenckel. L'6tude des caract6ristiques des structures, en fonction de la temperature, permet de confirmer ce point et de montrer qu'une transition vers un processus de conduction interfacial de type Schottky est observ6 vers 400 K avec la contre-dectrode d'or polaris6e n6gativement.

Summary This study deals with the investigation, by means of metal-film-metal structures, of the electrical conduction in thin anodic films on titanium as well as at the interfaces. Investigation of the current-voltage characteristics of Ti-oxide-Au and Ti-oxide-A1 structures revealsthe role played by temperature and shows that, at the lowest values of applied voltage, the characteristics are ohmic. A further increase in applied voltage leads to a quadratic current dependence on voltage which can be interpreted in terms of a space-charge-limited current. At the highest applied voltages the observed characteristics are symmetrical and independent ofthe polarity. Our conclusion is that the Poole--Frenckel emission mechanism is responsible for high field d.c. conduction. The temperature dependence of the characteristics confirms this bulk mechanism for conduction in the film. A transition to an electrode-limited process (Schottky emission) is observed at a temperature of about 400 K when the gold counterelectrode is negatively biased.

1. INTRODUCTION Une 6tude ant6rieure I a permis d'6tablir le sch6ma cin6tique et structural du d6veloppement des films anodiques sur le titane, en milieu acide non oxydant et en

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G. JOUVE, J. GOUBE

conditions galvanostatiques. I1 appara~t, dans les premiers stades du processus d'oxydation, que se d6veloppe un film amorphe ~ propos duquel certains crit6res 61ectrochimiques 2 sugg6rent une modification des propri6t6s 61ectroniques lorsqu'une valeur critique d'6paisseur est atteinte. Nous avons ainsi 6t6 conduits ~ nous int6resser au processus de transfert 61ectronique dans le film et h l'interface m6tat-oxyde. Un proc6d6, permettant de s'affranchir de l'interface oxyde-solution, consiste h 6tudier les ph6nom6nes de transfert des porteurs dans des structures m6tal-oxyde-m6tal. De telles structures m6tal-isolant-m6tal (MIM) ont fait l'objet de nombreux travaux 3-7 depuis 1962. L'aspect fondamental du probl6me a 6t6 beaucoup discut6, en particulier par Simmons a-11. Diff6rents m6canismes ont 6t6 propos6s: interfaciaux (6mission Schottky, effet tunnel) et volumiques (contr61e par la charge d'espace, m6canisme de Poole-Frenckel). Nous appellerons "volumique" un processus de conduction dans lequel le flux des porteurs n'est pas limit6 par leur transfert, par dessus ou au travers d'une barri6re de potentiel aux interfaces, mais par des m6canismes intrins6ques au film (densit6 de porteurs libres, charges d'espaces pi6geage). Ces ph6nom6nes sont g6n6ralement 6tudi6s par le trac6 des caract6ristiques courant-tension de la structure. Cependant, nous verrons qu'il est n6cessaire de compl6ter ces exp6riences en changeant la nature de la contre-61ectrode et en envisageant le r61e de la temp6rature. 2. CONDITIONS EXPI~RIMENTALES Les films d'oxyde 6tudi6s sont obtenus par voie anodique h partir de titane de haute puret6, polycrystallin, ayant subi un traitement thermique d'homog6n6isation de la taille des grains et de relaxation des contraintes. Dans un souci d'homog6n6it6, nous avons conserv6 la pr6paration m6canique de la surface du m6tal, qui a 6t6 retenue dans l'6tude cin6tique ant6rieure x. L'anodisation est r6alis6e dans le milieu suivant: H3PO 4 3~o, HBO3 1~o, H 2 0 96~o et ~t ia densit6 de courant de 62 x 10 -3 A cm -2. L'obtention des diff6rentes 6paisseurs est li6e h la d6termination pr61able du coefficient 0tde la relation d = ~tV,/l densit6 de courant constante, ok d est l'6paisseur du film et Vla chute de tension ~t travers le film. A la densit6 de courant de 62 x 10 -3 A cm -2 et ~t la temp6rature de 297 K, ct d6termin6 par ellipsom6trie et r6flectom6trie 2 vaut 31 +0,7 A V- 1. L'6paisseur des films 6tudi6s est comprise entre 200 et 600 A. Les contre-61ectrodes, de 0,192 cm 2 de surface, des structures Ti-oxyde-Au et Ti--oxyde-A1 sont d6pos6es par 6vaporation sous un vide de 10- 6 Torr. L'6chantillon est support6 par une platine chauffante (temperature maximale = 673 K). Le contact au niveau de la contre-61ectrode est r6alis6/t l'aide d'un micromanipulateur pointe d'or recuite. L'ensemble des dispositifs est plac6 sous un vide de 10 -6 Torr. L'imp6dance d'entr6e du voltm~tre de mesure de la tension aux bornes de la structure est de 10 ~2 fl. 3. R~ULTATS

Nous pr6sentons sur la Fig. 1 l'aspect g6n6ral des caract6ristiques courant-

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CONDUCTION DANS LES COUCHES MINCES SUR LE TITANE

LogIrA)

A o * o

T=297°K

-3

Au" A~ AI" AI +

d = 310 d-- 6 0 0 ~ d=250~ d 11;-250

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A

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A,+ d=600A

T=297°K ,~ AI- d=2SO~ o AF d=310~ /

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10.4

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LogV(.I) " +~

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S

V'V(,dtsl

(b) Fig. I. Caractiristiques courant-tension des structures Ti-oxyde-Au et Ti-oxyde-Al pour dilT~rentes 6paisseurs d du film d'oxyde, sous les deux polarit~s + et - /t T = 297 K: (a) domaine, des plus faibles valeurs de tension (V < 1 V); (b) domaine des plus fortes valeurs de tension (V > 1 V).

tension .de la structure MIM, aspect qualitativement ind6pendant du sens de polarisation, de la nature de la contre-61ectrode, de la temp6rature et de l'6paisseur

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G. JOUVE, J. GOUBE

du film. I1 est toujours possible de discerner sur ces courbes plusieurs parties selon la valeur de la tension appliqu6e: --pour les valeurs de tension les plus faibles, la Fig. l(a), sur laquelle nous avons port6 log I en fonction de log V, fait appara]tre un ou deux domaines lin6aires; --pour les valeurs de tension les plus fortes, les caract6ristiques deviennent lin6aires lorsque log Iest port6 en fonction de V 1/2 (Fig. l(b)). Nous diviserons notre expos6 en deux parties. 3.1. Caractbristiques en champ faible

Dans tousles cas, pour les valeurs de tension les plus faibles (Fig. l(a)) (V < Vx), la caract6ristique relev6e est ohmique. A la temp6rature ambiante, la r6sistivit6 est de l'ordre de 10 a° Q cm. De telles caract6ristiques sont obtenues quelles que soient la polarit6, la temp6rature (297 K < T < 473 K) et la nature de la contre-61ectrode. Nous avons v6rifi6 que nous sommes, dans ce domaine, en pr6sence de porteurs activ6s thermiquement dans le film. Une loi de type (1)

tr = tro e -E/kr

a pu ~tre mise en 6vidence. La Fig. 2 montre en effet la variation lin6aire de log 1/R en fonction de 1/T, oO R e s t la r6sistance de la structure MIM. La valeur de E de la relation (1) est de l'ordre de 0,2 eV. Elle correspond ~ la transition du niveau donneur la bande de conduction. Pour l'6tude en fonction de la temp6rature, la d6termination de la r6sistance n'a pas 6t6 faite ~ partir des caract6ristiques couranttension, en raison de la trop faible valeur du courant. Nous nous sommes tourn6s vers une m6thode de mesure de l'imp6dance complexe de la structure en courant alternatif. Z to-1', A

10":

lO-S. 1/T x lO'q'K) "l Fig. 2. Variation de I'inverse de la r6sistanee de la structure Ti-oxyde-Au en fonction de la temperature.

Lorsque l'on augmente la tension (V > V~) nous trouvons, dans un certain nombre de cas, une d6pendance quadratique du courant par rapport/l la tension. Sur la Fig. l(a), courbe no. 1, un diagramme donnant log I en fonction de log V fait appara~tre deux caract&istiques lin6aires. La premi&e correspond ~ une loi ohmique d log I/d log V = 1, la seconde de V~ ~ Vy, o/J d l o g / / d l o g V = 2,

CONDUCTION DANS LES COUCHES MINCES SUR LE TITANE

365

correspond h la relation I oc V2. Cette relation est interpr6table en termes de courant limit6 par l'existence de charges d'espaces selon l'expression (2) due /l Mott t 2: I =

9/Zere°V2 8d a

(2)

o/1/~ est la mobilit6 des porteurs inject6s aux interfaces, d l'6paisseur du film et e, la constante di61ectrique. L'effet de la charge d'espace est observ~ lorsque ia densit6 des porteurs inject6s aux interfaces devient plus grande que la densit6 des porteurs activ6s thermiquement dans le volume du film (en V = Vx). Lorsque roxyde contient un niveau discret de pi~ges, une partie importante de la charge d'espace est fix6e par ces derniers. La relation (2) s'6crit alors, selon Rose 1a, I = 91.tereoOV2/8da, oil O, rapport de la charge libre/l la charge pi6g6e, est donn6 par (NJNT) exp( -- ET/kT), E r 6tant l'6nergie du niveau de pi~ge par rapport h la bande de conduction. Dans ce cas les valeurs de courant sont plus faibles mais la relation I ~: V 2 est conserv6e. Au-del/t de Vyon assiste ~tune augmentation importante du courant, lorsque la tension augmente. Ce domaine est relatif/t la configuration, o/~, tous les pi~ges 6tant remplis, tousles porteurs inject6s aux interfaces participent/t la conduction. 3.2. Caractbristiques en champ fort Aux valeurs dev6es de champ, un grand nombre de mat6riaux amorphes isolants pr6sentent, en film mince, des caract6ristiques courant-tension teUes que le courant augmente exponentiellement avec la racine carr6e de la tension appliqu6e. Ce type de caract6ristiques peut ~tre attribu6 ~ deux processus diff6rents. Le premier, ph6nom~ne interfacial, est l'6mission thermo-ionique (effet Schottky), dans lequel les 61ectrons sont 6mis A partir du niveau de Fermi du m6tal dans la bande de conduction du film par dessus la barri~re de potentiel/~ l'interface. Le deuxi~me m6canisme, qui peut ~tre invoqu6, est celui de Poole-Frenckel, o/1 le flux de porteurs est contrbl6 par l'interaction du champ 61ectrique appliqu6 avec la barfi~re de potentiel coulombien existant entre les niveaux de pi~ges et la bande de conduction de l'isolant. Ce processus pr6sente beaucoup d'analogie, dans son m6canisme, avec l'effet Schottky. C'est un processus contrSl6 par un m6canisme de transfert des charges dans le volume du film alors que l'6mission Schottky est contrbl6e par le transfert des charges ~ l'interface film-m6tal. En ce qui concerne le transfert inteffacial, la densit6 de courant J des 61ectrons 6vapor6s du m6tal est d6crite par l'6quation de Richardson-Dushman 14 J= AT 2exp[-k~ )

(3)

o/1 4'o est la barri&e de potentiel ~ l'intefface, et A, constante de Richardson est donn6e par l'expression 4~tmek2T2 ha En tenant compte de l'interaction du champ appliqu6 avec le potentiel image, on A=

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G. JOUVE, J. GOUBE

aboutit h la relation de Richardson-Schottky:

~0

flsEl~2

avec =

(4)

o/l erest la constante di~lectrique du milieu. Dans le cas oO le contrble du courant se fait dans le volume du film, l'expression de Poole-Frenckel s'6crit: J = GE exp -

expl~/

(5)

avec

o/1 ~bo est la diff&ence d'6nergie entre le pi~ge et le bas de la bande de conduction et le facteur G ales dimensions d'une conductibilit6. On remarque d'apr~s les 6qns. (4) et (5) que five = 2fls. Les diff6rences entre les 6qns. (4) et (5) proviennent du facteur pr6-exponentiel et du coefficient P = d log J/d(V1/Z). Cependant une importante pol6mique s'est engag6e 1s-1 s sur le point pr6cis de savoir si les valeurs exl~rimentales du coefficient P permettent de distinguer les deux ph6nom~nes. En effet, l'ad6quation des valeurs exl~rimentales aux valeurs th6oriques n6cessite la connaissance de la constante di61ectrique du mat&iau. I1 appara'it q~e rutilisation de la constante di61ectrique, obtenue aux fr6quences radio soit h rejeter au profit de la constante haute fr6quence 19 (carr6 de l'indice de r6fraction er = n2). Par ailleurs, certains auteurs, dont Simmons is proposent un modble conduisant ~ l'identit6 des coefficients P pour les deux m6chanismes consid&6s. Dans cette 6tude, nous n'attribuerons aux valeurs des coefficients P = d log 1/(].(1/1/2), qu'un int6r~t indicatif. Nous envisagerons surtout le rble jou6 par la nature de la contre-61ectrode et par la variation des termes log I e t log I / T 2 en fonction de l I T ~ potentiel constant. Sur la Fig. 3 sont montr6es les caract6ristiques log I = f(V1/2), obtenues sur une structure Ti-oxyde-Au h la temp6rature de 297 K et pour une 6paisseur de film de 310 A. Dans ces coordinn6es, un domaine lin6aire est visible aux fortes valeurs de champ appliqu6. Il faut remarquer que nous avons rencontr6 certaines difficult6s, pour l'obtention de ces caract~ristiques, li6es ~tl'existence de ph~nom~nes transitoires lors de l'application de la tension. Pour une valeur donn6e de la tension, la valeur de l'intensit6 est fonction du temps. De tels ph6nom~nes, observ6s par de nombreux auteurs 4'2°'21, ont 6t6 attdbu6s ~ des constantes de temps li6es au pi6geage et ~t l'existence de charges d'espaces.

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I(A)

d = 310 ~ T=297°K

10-~

367

o Au+ • Au"

10 "~

Z "

10 -~

10-~

l°-s

f

T) ~

~

~4 fs

~rV(volts)

1~

~

Fig. 3. Caract~ristiques, directe et inverse, courant-tension de la structure Ti-oxyde-Au; ~paisseur du film d'oxyde d = 310 .~, T = 297 K.

Les valeurs exp6rimentales des coefficients P = d log I/d(V 1/2) peuvent ~tre compar6es aux valeurs th6oriques calcul6es ~ partir des 6qns. (4) et (5), en prenant pour valeur de la constante di61ectrique ~, = n 2 = 4,41, n 6tant l'indice du film. Dans notre travail, la d6termination des valeurs d'indice a 6t6 r6alis6e par ellipsom6trie 2 partir de films d'oxyde pr6par6s duns les mames conditions exp~rimentales. Nous avons obtenu les coefficients P = 9 avec une polarit6 negative sur l'or et P = 8,5 avec la polarit6 positive sur ror. La valeur calcul~ ~ partir de l'6qn. (5) est P = 8,8. II est remarquer que l'asym6trie de la structure 6tudi6e ne se traduit pas au niveau des caract6ristiques courant-tension obtenues. Ces deux crit~res nous ont amen6s ~ penser que la conduction est contrGl~e dans le volume du film. Nous avons relev6 les caract6ristiques pour diff6rentes 6paisseurs du film, ~ une marne temp6rature, sous la mame polarit6. On remarque sur la Fig. 4 que, conform6ment/t l'6qn. (5), les valeurs d ' o r d o n n ~ ~ l'origine augmentent lorsque l'6paisseur du film augmente. II y a 1~ un crit~re r6futant l'hypoth~se du contr6le interfacial selon le m~canisme de Schottky. N o u s avons 6galement remarqu6 que les valeurs du coefficient P = d log I/d(V 1t2) sont aussi inversement proportionnelles ~ d, bien qu'il n'y air pus 1~ un argument permettant de retenir plus sp~cialement run des m~anismes. L'insensibilit6 des courbes relev~s ~ la dissym6trie de la structure Ti-film-Au nous a conduits ~ compl6ter ce travail par l'6tude de la structure Ti-film-A1. Nous pouvons alors comparer, pour une m~me polarit6, reffet 6ventuel de la variation du terme interfacial. L'~vaporation des contre-~lectrodes d'or et d'aluminium est r6alis~e ~ raide d'un masque sur un m~me film anodique, pour minimiser rincidence des conditions de preparation sur les r6sultats. La Fig. 5 regroupe, ~ titre d'exemple, quelques courbes relatives /~ un ~chantillon d'6paisseur d = 310 ]~, sous les diff6rentes polarit6s, avec les deux contre-~lectrodes utilis~es, ~t la temperature T = 297 K.

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G. JOUVE, J. GOUBE

I(A) IO-e'

T0-s

' ~ / ~

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d=310 ~ T=297"K I(A)j

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Au÷ T=297"K

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Fig. 4. Caract6ristiques courant-tension de la structure Ti-oxyde-Au, polaris6e n6gativement sur la contre-61ectrode d'or, pour diff~rentes 6paisseurs d du film d'oxyde; T = 297 K. Fig. 5. Caract~ristiques, directes et inverses, courant-tension des structures Ti-oxyde-Au et Ti-oxydeAI; 6paisseur du film d'oxyde d = 310 A; T = 297 K.

Pour une m~me valeur de tension, le rapport des valeurs absolues du courant est inf6rieur A 50. Dans l'hypoth6se d'un contrble interfacial, d'apr~s l'6qn. (4), le rapport des courants, lorsque l'on applique une polarit6 negative sur les diff6rentes contre61ectrodes, J(AI)/J(Au) est 6gal ~ {A(Al)/A(Au)}exp(-Adp/kT), oh A~b est la diff6rence des travaux d'extraction de l'aluminium et de l'or. En consid6rant qu'il peut exister un rapport 10 dans les valeurs exp6rimentales de la constante de Richardson pour les deux m6tdux, en tenant compte de la valeur J(AI)/J(Au) <<.50, nous obtenons un A~b ~< 0,15 eV. La diff6rence de travaux d'extraction de l'aluminium et de l'or cst de l'ordre de 1,5 eV. Nous ~w.artons done la possibilit6 du m6canisme de transfert interfacial. Cet aspect de l'6tude est A rapprocher du travail r6alis6 par Young 21 sur les structures Ta-Ta2Os-Au et Ta-Ta2Os-AI.

3.3. Evolution des caractkristiques en fonction de la temperature Nous aeons regroup~ sur les Figs. 6(a) et (b) quelques exemples de caract6ristiques log I = f(V1/2), ~ diff6rentes temp6ratures comprises entre 297 K et 453 K, relatives aux m~mes structures polaris6es Au +, AI + et AI-. On observe, conform6ment aux relations (4) ou (5), une diminution de la valeur d log 1/d(V ~/2) lorsque la temp6rature augmente; mais en valeur absolue, les valeurs du coefficient P restent, ~ toutes temp6ratures, proches de celles calcul6es Apartir de l'6qn. (5). Une valeur d'6nergie d'activation du ph6nom6ne a 6t6 d6termin6e en examinant

369

CONDUCTION DANS LES COUCHES MINCES SUR LE TITANE

I (A),

7

lO-Z

[(A]

I0.2

10 .t

5.5

"//:/~/~.,~/ oA.+ /

I 0 -s

o I=250A

/ tO.-4

/

.

.

.

.

1": 29?°K ,, AI+ T=297°K ~,AI + T=423OK • Au÷ T=423°g

.

"

/"

Ar310A

/ lo-2

(a)

64

i

1.1

i~

T3

• °

297"K 393"K 453"K

VVV'-(w.IIs)

(b)

Fig. 6. (a) Caract6ristiques courant-tension des structures Ti-oxyde-Au et Ti-oxyde-Al polaris6es positivement sur les contre-~lectrodes d'Au et d'Al/t diff6rentes teml~ratures; 6paisseur du film d'oxyde d = 250 ,~. (b) Caract6ristiques courant-tension de la structure Ti-oxyde-Al, polaris6e n~gativement sur la contre-61ectrode d'aluminium ~tdiff6rentes temp6ratures; 6paisseur du film d'oxyde d = 310 A.

les variations de log I en fonction de 1/T ~ V constant. La Fig. 7 montre que log Iest lin6aire, dans le domaine de temp6rature 6tudi6 en fonction de lIT. L'6nergie d'activation ~6d6termin6e/t partir de la relation (5) est de rordre de 0,4 eV. [(A)

i0 -I

10.2.

I/T ,,10 3 ( "K)-' lO-S 211

2~5

3

3,~

~"

Fig. 7. Variation de rintensit6,/t potentiel constant (V -- 2 V), en fonction de la temp6rature pour la structure Ti-oxydc-Au, polaris6¢ positivement sur la contre-61cctrode d'or; 6paisscur du film d'oxyde

d = 600A. Nous envisageons maintenant le cas de la structure Ti-film-Au, polaris6e negativement, sur l'or. Le relev6 des caract6ristiques (Fig. 8) dans la m~m¢ gamme de temp6ratures, montre une 6volution particuli6re du coefficient P = d log I/d(V ~/2) qui permet de d6finir deux domaines de teml~ratures: - - p o u r les temp6ratures inf6rieures ~ 403 K, P = d log l/d(V 1/2)diminue lorsque la temp6rature augmente, conform6ment aux relations (4) ou (5), et sa valeur exp6rimentale est voisine de c¢lle calcul6e/t partir de l'6qn. (5), relative au m6canisme de conduction volumique d6j/t observ6/t la temp6rature ambiante;

370

G. JOUVE, J. GOUBE

- - a u x temp6ratures sup6rieures h 403 K, P diminue avec la temp6rature, mais cette lois, sa valeur exp6rimentale est proche de celle calcul6e ~t partir de l'6qn. (4). I1 est possible de d6terminer ~bo, barri6re interfaciale, directement h partir de l'ordonn6e b. l'origine des courbes en prenant la valeur th6orique de la constante de Richardson, soit A = 120 A c m - 2 K - 2. Les valeurs trouv6es sont proches de 0,85 eV. Les valeurs exp6rimentales de A peuvent s'6carter d'un facteur 10 de la valeur th6orique, mais il faut remarquer que l'erreur relative introduite sur tho est alors inf6rieure h 10~o. Une autre m6thode de d6termination de 4~o consiste h porter, pour une m~me 6paisseur, ~t une m~me tension, log I/T 2 = f(1/T). Dans un premier temps, nous avons port6 sur la Fig. 9 la variation de log ! en fonction de lIT ~t tension constante. En accord avec la remarque faite h propos de la variation du t e r m e d log I/d(V 1/2) en fonction de la temp6rature, on n'observe plus de variation lin6aire de log I sur tout le domaine de temp6ratures. I1 existe rnaintenant deux domaines de variation lin6aire, de pentes diff6rentes, s6par6s par un domaine de transition vers 403 K. L'existence de deux m6canismes diff6rents, ayant chacun leur 6nergie d'activation propre, semble se confirmer ici. Nous retrouvons aux temp6ratures les plus basses, la valeur de 0,4 eV d6j/z d&ermin6e pour le m6canisme de P o o l e Frenckel. Nous avons port6, pour les valeurs de temp6rature les plus 61ev6es, log(J/T 2) en fonction de 1/T et d6termin6 une valeur de qb0 de l'ordre de 0,85 eV. ](A) o ~. • A o

Au'-i:310~

T= 297°K T= 350°K T=405*K T= 438°K T= 473°K

10 .2

Au- d = 6 0 0 ~

V:l,6v

\

\

\

\

10-2.

10 -3. IO_a 10-4.

10 -s 0,8 0.9

.

I

.

. 1.1

wdts) . . . . ~. 1.2 1.3 1,4 1,5 1,6

10 -s

•

2,s

3

3.s

1/T ~IO~('K)'I lid

Fig. 8. Caract6ristiques courant-tension de la structure Ti-oxyde-Au polaris6e n6gativement sur la contre-61eetroded'aluminium/zdiff6rentestemp6ratures;6paisscur du filmd'oxyde d = 310 A. Fig. 9. Variation de l'intensit6, h potentiel constant (V = 1,6 V) en fonction de la temp6rature pour une structure Ti-oxyde-Au, polaris6e n6gativement sur la contre-61ectrode d'or; 6paisseur du film d'oxyde d= 600L I1 apparalt donc qu'aux temp6ratures inf6rieures/z 400 K, le m6canisme de conduction est contr016 par l'6mission d'61ectrons dans la bande de conduction du film/z partir d'un niveau de pi6ge. Lorsque la temp6rature et le c h a m p appliqu6 augmentent, la r6sistance du film diminue, mais le m6canisme volumique est

CONDUCTION DANS LES COUCHES MINCES SUR LE TITANE

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conserv6 tant que la r6sistance du film est grande devant celle de l'interface; c'est-hdire tant que la tension appliqu6e h la structure se trouve, en majeure partie, aux bornes du film. Cependant, il peut se faire que la r6sistance du film devienne plus faible que la r6sistance de rinterface. Dans ce cas, la diff6rence de potentiel appliqu6 la structure est "concentr6e" h l'interface, la chute de tension dans le film devenant n6gligeable. La relation de Schottky est alors v6rifi6e. La r6sistance de rinterface sera d'autant plus grande que ~bo est plus grand, et le contr61e interfacial sera d'autant plus probable que le travail de sortie ~k de la contre-61ectrode sera plus grand puisque l'aftinit6 61ectronique du film reste constante. Les travau~ de sortie de ror et de l'aluminium sont respectivement de rordre de 4,8 eV et 3,4 eV. Le m6canisme interfacial n'est pas observ6 avec la contre-61ectrode d'aluminium, la r6sistance du film n'6tant jamais n6gligeable devant la r6sistance interfaciale jusqu'/l ce qu'intervienne le claquage du film. 4. CONCLUSION En conclusion, nous avons distingu6, en fonction de la valeur du champ appliqu6/L la structure, plusieurs domaines. Aux plus faibles valeurs de champ (E ~< 2 x 104 V cm- 1), la conduction est de type ohmique, la r6sistivit6 de l'oxyde h la temp6rature T = 297 K est de rordre de 101° fl cm. En augmentant les valeurs de champ appliqu6, le courant passe sous le contr61e des charges d'espaces et des m6canismes de pi6geages. Aux valeurs de champ les plus fortes (5 x 105 V cm-1 < E), un processus d'6mission de type Poole-Frenckel est observ6/l la temp6rature ambiante. L'6tude r6alis6e en fonction de la temp6rature permet de situer la profondeur des niveaux de pi~ges h 0,4 e V e n dessous de la bande de conduction. Dans tous ces cas, la conduction reste une propri6t6 volumique du film. Une transition vers un processus interfacial (6mission de type Schottky) est observ6e vers 400 K avec la contre-61ectrode d'or qui pr6sente le plus grand travail de sortie. Cette transition est absente avec l'61ectrode de titane (ff ,~ 3,9 eV) et avec r61ectrode d'aluminium (~b ~ 3,4 eV). Nous avons d6termin6, dans le cas de ror, une barri6re d'6nergie 4o de rordre de 0,85 eV. BIBLIOGRAPHIE 1 2 3 4 5 6

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