Автореферат (Оптические и электрические свойства систем, содержащих ансамбли кремниевых нанокристаллов), страница 7

Более того, с увеличением числа слоев ВАХ приближаетсяк линейной зависимости и для образцов с 40 слоями nc-Si/SiO2 соответствует закону25Ома. Такое поведение вольтамперных характеристик указывает на то, что для образцовс большим числом слоев nc-Si/SiO2 сопротивление структуры определяется уже небарьером Шоттки в подложке c-Si, а сопротивлением оксидной матрицы скремниевыми нанокристаллами. Это может быть связано с тем, что сопротивлениематрицы с нанокристаллами заметно превышает сопротивление потенциальногобарьера в подложке, и, следовательно, его вклад в процессы переноса носителей зарядауменьшается с ростом числа слоев.

Для образца с 40 слоями nc-Si/SiO2 суммарноесопротивление слоев nc-Si/SiO2 становится настолько большим, что можно пренебречьсопротивлением, вносимым потенциальным барьером в подложке, вследствие чегоВАХ этого образца имеет линейный вид.Рис.6.Вольтамперныехарактеристики структур Au –nc-Si/SiO2 – c-Si с числом слоевnc-Si/SiO2, равным: 1 – 10; 2 20; 3 – 40.Поскольку при отсутствии нанокристаллов ток через систему Au–SiO2–c-Si нетечет, то можно предположить, что перенос носителей заряда сквозь структуру Au–ncSi/SiO2–c-Si осуществляется по кремниевым нанокристаллам путем туннелированиячерез слои SiO2. Исследования температурных зависимостей проводимости дляструктур Au–nc-Si/SiO2–c-Si с различным числом слоев и размером нанокристалловуказываютна то, чтопри температурахT<280 K электронный транспортосуществляется путем прыжков (стимулированных фононами туннельных переходов)между соседними кремниевыми нанокристаллами.

Заметим, что такой механизмпереноса часто используется для объяснения проводимости гранулированных металлов[см., например, 26].В шестой главе исследованы электрофизические свойства пористого кремния pтипа, обладающего латеральной анизотропией формы нанокристаллов. Размернанокристалловсоставлял10-30нм.Пористостьобразцовопределяласьгравиметрическим способом и была равна 70 %. В исследованных образцах26нанокристаллы кремния были вытянуты вдоль кристаллографической оси [ 1 1 0 ].Приведенный литературный обзор свидетельствует о том, что проводимость ифотопроводимость ПК с латеральной анизотропией формы нанокристаллов к моментуначала настоящей работы исследованы не были.Измерения электрических и фотоэлектрических свойств данных образцовпроводились вдоль направления [ 1 1 0 ] и перпендикулярного ему направления [001] (вэтом направлении размер кремниевых нанокристаллов наименьший).

ИсследованияВАХ показали, что они являются нелинейными и симметричными относительнополярности приложенного напряжения.Было обнаружено, что проводимость анизотропного (обладающего анизотропиейформы нанокристаллов) ПК вдоль кристаллографического направления [ 1 1 0 ]значительно выше проводимости вдоль направления [001]. Поскольку ВАХ не былилинейными, то величина проводимости зависела от приложенного напряжения.Анизотропия проводимости (отношение проводимости, измеренной вдоль направления[ 1 1 0 ], к проводимости, измеренной вдоль направления [001]) росла с увеличениемприложенного напряжения.На рисунке 7 представлены зависимости проводимостей исследованного ПК,измеренных вдоль кристаллографических направлений [ 1 1 0 ] и [001], от корняквадратного из приложенного напряжения (√ ).

Видно, что измеренные проводимости(при больших напряжениях) экспоненциально зависят от √Такого типа зависимостьпроводимости от напряжения характерна для эффекта Пула-Френкеля и наблюдалась всильно легированных образцах ПК [27]. Кроме того, экспоненциальная зависимостьпроводимости от √характерна для переноса носителей заряда через потенциальныйбарьер в случае учета эффекта Шоттки [28]. В связи с тем, что рассматриваемаясистема многофазная (имеются нанокристаллы, поры, окисленные поверхностинанокристаллов, границы раздела между нанокристаллами), коэффициенты перед √вэкспоненте могут заметно отличаться от предсказываемых эффектами Пула-Френкеляи Шоттки.При описании проводимости пористого кремния с размером нанокристаллов несколькодесятковнанометровделокализованнымобычносостояниямсчитают,чтокремниевыхносительзарядананокристаллов,движетсяпопреодолеваяпотенциальные барьеры на их границах.

В случае не слишком низких температурвозможен надбарьерный перенос носителей заряда. В полупроводниках с высокойподвижностью, таких как кремний, процесс надбарьерного переносаможет быть27полностью описан в рамках теории термоэлектронной эмиссии [28]. Однако врассматриваемом случае в формуле для плотности тока необходимо учесть эффектыПула-Френкеля и Шоттки. Проведенные вычисления показывают, что в этом случаеможно объяснить анизотропию проводимости и ее рост с увеличением приложенногонапряжения. Кроме того, при этом проводимость должна иметь активационныйхарактер,чтополностьюподтверждаетсяизмереннымитемпературнымизависимостями проводимости для кристаллографических направлений [ 1 1 0 ] и [001].Рис.7.ЗависимостьквадратногонапряженияизоткорняприложенногопроводимостиПК,обладающего анизотропией формынанокристаллов,вдолькристаллографических направлений[ 1 1 0 ] и [001].Для дальнейшего исследования механизмов проводимости в анизотропном ПКбыли проведены исследования его проводимости и емкости на переменном токе.

Врезультате анализа зависимости мнимой части импеданса от действительной былапредложена одна из возможных эквивалентных схем исследованной структуры,позволяющая объяснить наблюдаемые частотные зависимости проводимости и емкостианизотропного ПК.Исследованиялюкс-амперныххарактеристикпоказали,чтопривсехиспользуемых интенсивностях падающего на образец излучения, фотопроводимостьПК зависит от интенсивности света по степенному закону. При этом зависимостьпоказателя степени  принимает аномально малые значения (γ <0.5), как и в случае ncSi:H.Аналогичнослучаюnc-Si:H,можнопредположить,чторекомбинациянеравновесных носителей заряда происходит в результате процесса туннелированияносителей заряда сквозь барьер с предварительной термической активацией.

В нашемслучае неравновесные носители заряда (дырки) могут посредством туннелированиясквозь потенциальный барьер захватываться на локализованные состояния на границахнанокристаллов друг с другом или порами, и далее рекомбинировать с электронами.Величина фотопроводимости анизотропного ПК вдоль кристаллографическогонаправления [ 1 1 0 ] выше, чем вдоль направления [001]. Относительное различие28между величинами ph вдоль кристаллографических направлений [ 1 1 0 ] и [001], также как и между значениями темновой проводимости, уменьшается с повышениемтемпературы. Анизотропия фотопроводимости может быть связана как с различнымзначением подвижности, так и с различным стационарным временем жизни носителейзаряда.

Последнее может меняться за счет разного уменьшения потенциальныхбарьеров на границах нанокристаллов вдоль кристаллографических направлений [ 1 1 0 ]и [001] под действием приложенного напряжения, что может приводить к различнойвероятности туннелирования носителей сквозь барьер.Седьмая глава посвящена исследованию влияния поверхностного покрытиякремниевых нанокристаллов на перенос носителей заряда в ПК с размеромнанокристаллов10-30нм.СлоиПКиформировалисьмонокристаллическогокремнияp–монокристаллическихпластинсоставлялоn–типана(удельное0,003-0,006пластинахсопротивлениеОм·см)путемэлектрохимического травления в растворе плавиковой кислоты и этанола. Пористостьобразцов определялась гравиметрическим способом и составляла 70 %.В седьмой главе описан метод расчета концентрации свободных носителей зарядав ПК из ИК-спектров пропускания.

Приведены данные по влиянию адсорбцииактивных молекул на проводимость ПК. Из анализа спектров ИК поглощенияопределены концентрации свободных дырок и электронов в исследованных образцахПК и изучено влияние на значения указанных концентраций адсорбции активныхмолекул. Из полученных значений проводимости и концентрации свободных носителейзаряда рассчитаны значения подвижности по проводимости. Зависимости подвижностиносителей заряда от концентрации свободных дырок и электронов для образцов ПК pи n-типа представлены на рисунке 8 (a, b).