Перенос носителей заряда в слоях пористого кремния с различной формой и поверхностным покрытием нанокристаллов

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М.В. ЛомоносоваФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиМартышов Михаил НиколаевичПЕРЕНОС НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В СЛОЯХ ПОРИСТОГО КРЕМНИЯ СРАЗЛИЧНОЙ ФОРМОЙ И ПОВЕРХНОСТНЫМ ПОКРЫТИЕМНАНОКРИСТАЛЛОВСпециальность 01.04.10 − физика полупроводниковАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2009Работа выполнена на кафедре общей физики и молекулярной электроникифизическогофакультетаМосковскогогосударственногоуниверситетаим.

М.В. Ломоносова.Научный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор П.К. КашкаровОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессор А.Г. Казанскийкандидат физико-математических наук,Б.А. АронзонВедущая организация:Государственный научно-исследовательский и проектныйинститут редкометаллической промышленностиЗащита состоится “ 15 ” октября 2009 года в 17 часов на заседании ДиссертационногосоветаД 501.001.70приМосковскомгосударственномуниверситетеим.М.В. Ломоносова по адресу: 119991 ГСП-1 Москва, Ленинские горы, д.1, стр. 35,конференц-зал Центра коллективного пользования физического факультета МГУ им.М.В. Ломоносова.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им.М.В. Ломоносова.Автореферат разослан “” сентября 2009 годаУченый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.70доктор физико-математических наук,профессорГ.С.

Плотников2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность проблемы. Одним из наиболее быстро развивающихся внастоящее время направлений современной физики твёрдого тела являетсяисследование электрических и фотоэлектрических свойств полупроводниковыхнизкоразмерных систем. Так, например, в литературе исследуются фундаментальныепроблемы резонансного туннелирования носителей заряда в слоях вертикальноупорядоченныхнанокристалловивопросыкулоновскойблокадывслучаепрохождения носителей заряда сквозь одиночный нанокристалл [1-3]. Наиболееактуальным является изучение полупроводниковых нанокристаллов и квантовыхточек, состоящих из кремния, поскольку этот материал составляет основусовременнойполупроводниковойэлектроники.Наданныймоментширокообсуждаются возможности создания светоизлучающих диодов, одноэлектронныхтранзисторов и устройств памяти на основе кремниевых нанокристаллов [4-5].На протяжении последних нескольких десятков лет внимание исследователейпривлекает пористый кремний (ПК), что связано с перспективами его использованияв оптоэлектронике, сенсорике и медицине.

Кроме того, ПК может рассматриватьсякак удобный модельный объект для изучения оптических и фотоэлектрическихсвойств систем, содержащих ансамбли связанных кремниевых нанокристаллов,поскольку он довольно прост в получении и его структурные свойства легковарьируются в процессе роста.Недавно было обнаружено, что ПК с анизотропией формы нанокристалловобладает заметным двулучепреломлением [6]. Большинство работ посвященоисследованию линейных [6,7] и нелинейных [8] оптических свойств анизотропногоПК. Однако особенности переноса носителей заряда в анизотропном ПК не изучены.Также в литературе не обсуждаются механизмы рекомбинации неравновесныхносителей заряда в таком материале. В то же время, изучение указанных вопросовявляетсяважнымдляпониманияфундаментальныхэлектрическихифотоэлектрических свойств ансамблей кремниевых нанокристаллов.Перспективность использования ПК в газовых сенсорах связана с его большойудельной поверхностью, достигающей величины ~ 900 м2/см3 [9].

Это обуславливаетвысокую адсорбционную активность ПК, вследствие чего окружающая средаоказывает заметное влияние на его оптические и электрические свойства. Кнастоящему времени подробно изучено влияние адсорбции различных газов наспектры ИК-поглощения и определяемую из них концентрацию свободных носителей3заряда [10-12]. Одним из простейших газовых сенсоров на основе пористого кремнияявляется прибор, регистрирующий изменение величины электропроводности ПК впроцессе адсорбции.

Однако исследованиям влияния адсорбции на электрические ифотоэлектрические свойства ПК внимания практически не уделено. Кроме того,совместное измерение электропроводности и концентрации свободных носителейзаряда из спектров ИК-поглощения (в случае заметного поглощения на свободныхносителях заряда) позволяет оценить величину подвижности по проводимостиносителей заряда в ПК и влияние на нее адсорбции.Помимо адсорбции, одним из способов изменения поверхностного покрытиянанокристаллов в ПК является термический отжиг. До сих пор практически всеработы были посвящены исследованию термического отжига на структурные иоптические свойства ПК. В тех же работах, где исследуется электропроводность ПК,не используются никакие другие экспериментальные методы (например, ИКспектроскопия)дляанализаизменениялокальногоокружениякремниевыхнанокристаллов.

Также нет данных о влиянии размеров (в основном исследованмикро-ПК) и формы нанокристаллов на перенос носителей заряда при термическомокислении ПК.Цель настоящей диссертационной работы – проведение систематическихисследований влияния формы нанокристаллов и их поверхностного состояния намеханизмы переноса носителей заряда в слоях пористого кремния.Основные научные задачи работы:1.Исследование электропроводности (измеряемой как на постоянном, так ина переменном сигналах) ПК, обладающего анизотропией формы нанокристаллов.2.Разработка модели механизма переноса носителей заряда в анизотропном3.Проведение исследований фотоэлектрических свойств анизотропного ПК.ПК.Разработка модели рекомбинации неравновесных носителей заряда в анизотропномПК.4.Изучение влияния адсорбции активных молекул (йода и аммиака) навеличину электропроводности и подвижности носителей заряда в слоях ПК p- и nтипа проводимости.5.Исследованиевлияниятермическогоокислениянаконцентрациюсвободных носителей заряда, электропроводность, подвижность и фотопроводимостьПК.4Длярешенияпоставленныхвключающийисследования,фотоэлектрическихпараметровзадачбылметодынапримененкомплексопределенияпостоянномтокеметодовэлектрическихи(электропроводность,фотопроводимость), импеданс-спектроскопию, инфракрасную фурье-спектроскопию.Все эксперименты по адсорбции проводились с использованием современногобезмаслянного вакуумного оборудования.результатов определяется использованиемДостоверность полученныхсовременныхвзаимодополняющихэкспериментальныхметодик,согласиемполученных экспериментальных данных на различных образцах ПК, а такжесопоставлениемданныхэкспериментовсданнымиработдругихавторов,выполненных на подобных образцах.Научная новизна результатов, полученных в диссертации:1.Обнаружено, что значения электропроводности и фотопроводимостианизотропногоПК,измеряемыевдольнаправлениямаксимальногоразмеракремниевых нанокристаллов, заметно превышают соответствующие значения,измеряемые вдоль направления минимального размера нанокристаллов.2.Исследовано влияние частоты переменного сигнала на анизотропиюэлектропроводности.Установлено,чтоанизотропияэлектропроводностиуменьшается с увеличением частоты переменного сигнала, но остается достаточнобольшой вплоть до частот ∼10 МГц.3.Разработана модель, объясняющая анизотропию электропроводности ПК,измеряемую как на постоянном, так и переменном сигналах.4.Наосноведетальногоисследованияфотоэлектрическихсвойстванизотропного ПК предложена модель рекомбинации неравновесных носителейзаряда, позволяющая объяснить анизотропию фотопроводимости.5.Представлена новая информация о влиянии адсорбции активных молекул(йода и аммиака) на электропроводность и подвижность свободных носителей зарядав ПК.

Установлено, что с помощью адсорбции указанных выше молекул можносущественно, на несколько порядков, увеличить электропроводность ПК. Предложенамодель, объясняющая резкий рост электропроводности в результате адсорбции.56.Показано, что термическое окисление приводит к увеличению анизотропииэлектропроводности и фотопроводимости ПК за счет изменения подвижностиносителей заряда в нем.Основные положения, выносимые на защиту:1. ВанизотропномПКэлектропроводностьифотопроводимостьвдолькристаллографического направления с максимальным размером нанокристалловзначительно превышают электропроводность и фотопроводимость соответственновдоль направления минимального размера нанокристаллов.

Наблюдается такжеразличие в энергиях активации температурных зависимостей электропроводности,определяемой вдоль различных кристаллографических направлений.2. Электропроводность анизотропного ПК немонотонно зависит от частотыпеременного сигнала. При этом анизотропия электропроводности уменьшается счастотой. Наблюдаемые частотные зависимости электропроводности и емкости ПКописываются эквивалентной схемой, учитывающей сопротивление и емкостьпотенциальных барьеров на границах кремниевых нанокристаллов и на границах ПКс металлическими электродами.3. Перенос носителей заряда в исследованных образцах ПК (с размеромнанокристаллов10-100нм)происходитподелокализованнымсостояниямкремниевых нанокристаллов. Энергия активации электропроводности определяетсяположением уровня Ферми относительно края соответствующей зоны (валентной илипроводимости) и высотой потенциальных барьеров на границах кремниевыхнанокристаллов.