Перенос носителей заряда в слоях пористого кремния с различной формой и поверхностным покрытием нанокристаллов, страница 3

Слои мезо-ПКформировалисьнапластинахмонокристаллическогокремнияp–иn–типапроводимости путем электрохимического травления в растворе плавиковой кислоты иэтанола HF(48%):C2H5OH при различных плотностях тока j. Толщины образцовконтролировались с помощью оптического микроскопа. Пористость полученныхобразцов определялась гравиметрическим методом. В таблице 1 представленперечень параметров приготовления, интегральные характеристики и используемые вработе обозначения образцов мезо-ПК. Термический отжиг образцов проводился сиспользованием специальной печи в атмосфере воздуха в течение 30 минут.Температура отжига варьировалась в диапазоне 150-450 ˚С.Таблица 1. Перечень параметров приготовления, интегральные характеристики иобозначения образцов ПК.ТипподложкиHF(48%):C2H5OHУдельноесопротивлениеподложки,Ом·смПлотность Времятокатравлетравления, ния,мА/см2минКДБ (110)1:10.003-0.006302068IКДБ (100)1:10.003-0.006302070IIКЭМ (100)3:20.001-0.005402070IIIКДБ (110)1:10.025-0.030404050IV10ПористостьОбразецобразца, %Далее (раздел 2.2) описывается методика измерения электропроводности ифотопроводимости.

Для исследования электрических свойств на поверхность ПКнапылялись металлические контакты (алюминиевые, либо золотые) в двух различныхконфигурациях, что позволяло исследовать перенос носителей заряда вдольповерхности слоя и перпендикулярно ей. Электропроводность слоёв ПК измерялась спомощью пикоамперметра Keithley 6487, обладающего высокой чувствительностью.Напряжение на образец подавалось с источника, встроенного в пикоамперметр.Для измерения частотных зависимостей электропроводности и емкостииспользовался импеданс-анализатор HP 4192A, позволяющий проводить измерения вобласти частот f=5 Гц – 13 МГц.Для определения фотопроводимости использовались либо GaAlAs светодиод сэнергией испускаемых квантов hν=1.4 эВ и интенсивностью 4⋅1016 см-2с-1, либо HeNeлазер с интенсивностью 2⋅1018 см-2с-1.Электрические и фотоэлектрические характеристики определялись в областитемператур T=120-400 K.В разделе 2.3 приведена методика регистрации ИК-спектров.

Измерениеспектров пропускания инфракрасного излучения образцов ПК осуществлялось сиспользованием ИК-спектрометра с обратным Фурье – преобразованием Bruker IFS66v/S в спектральном диапазоне 6000 - 400 см-1 и разрешением 2 см-1. В разделе такжеописан метод расчета концентрации свободных носителей заряда в слоях мезо-ПК наоснове ИК-спектров пропускания.В разделе 2.4 обсуждаются способы получения и очистки адсорбатов.Газообразный аммиак (NH3) был получен из его водного раствора путем двойнойперегонки с осушением.

В экспериментах использовался йод (I2) (99,9%) марки ОСЧ.В разделе 2.5 приведена методика адсорбционных измерений. Для проведенияизмерений на базе современного оборудования фирмы Varian была собранаэкспериментальная установка, позволяющая достичь степени вакуумированияобразца до 10-5 Торр. Конструкция вакуумной системы позволяла одновременнопроводить измерения электропроводности и снятие спектров ИК-пропускания приадсорбции различных молекул.11Третья глава посвящена исследованию переноса носителей заряда в мезо-ПК,обладающим анизотропией формы нанокристаллов.Вразделе3.1приведенырезультатыэкспериментовпоизучениюэлектропроводности анизотропного мезо-ПК на постоянном токе (образцы I).

Вданных образцах нанокристаллы кремния вытянуты вдоль кристаллографическогонаправления [ 1 1 0 ]. Измерения электрических и фотоэлектрических свойств данныхобразцов проводились вдоль направления [ 1 1 0 ] и перпендикулярного емунаправления [001] (в этом направлении размер кремниевых нанокристалловнаименьший).

Исследования вольт-амперных характеристик (ВАХ) показали, что ониявляются нелинейными и симметричными относительно полярности приложенногонапряжения. Нелинейность ВАХ может быть связана с наличием в исследованныхслоях потенциальных барьеров. Эти барьеры могут существовать на границахнанокристаллов кремния. Причем нелинейность ВАХ в случае переноса носителейзаряда вдоль направления [ 1 1 0 ] достаточно слабая, что говорит о малом влияниипотенциальных барьеров на перенос носителей заряда вдоль данного направления.На рис.

1 представлены температурные зависимости темновой проводимостиσd,измереннойвдолькристаллографического-310-1значительнаяанизотропияпроводимости, т.е. проводимостьвдолькристаллографическогонаправлениявыше[1 1 0 ]значительнопроводимости2σd, Ом смрисунка видно, что наблюдается-1направления [ 1 1 0 ] и [001]. Из-510-710-9101-11вдоль10234направления [001] во всей областиисследованныхтемператур.567-1891000/T, KРис.

1.ТемпературныезависимостиОднако анизотропия проводимоститемновойуменьшаетсякристаллографических направлений [001] (1)сростомтемпературы. Из рисунка такжевидно,чтозависимостиσd(T)и[1 1 0 ]проводимости(2).напряжение U=5В.12КобразцуПКдляприложеноимеют активационный характер, т.е. описываются уравнением: σd=σ0exp(-EA/kT), гдеEA – энергия активации, σ0 – предэкспоненциальный множитель, k – постояннаяБольцмана. Значения энергий активации EA достаточно сильно отличаются длянаправлений [001] и [ 1 1 0 ] и равны, соответственно, 0.45 и 0.30 эВ. В случаеисследуемого мезо-ПК со средним размером нанокристаллов порядка 10÷100 нм,квантово-размерный эффект не столь значительный, поэтому можно считать, чтоэнергетическая зонная диаграмма для кремниевого нанокристалла такая же, как и дляобъемного кремния.

В этом случае перенос носителей заряда (дырок) можетпроисходитьподелокализованнымсостояниямвалентнойзоны.Междунанокристаллами могут существовать потенциальные барьеры, образующиеся,например, за счет захвата носителей на поверхностные состояния. Наличие барьеровмежду нанокристаллами приводит к активационной зависимости подвижностиносителей заряда: µ=µ0·exp(-Еb/kT), где Еb – эффективная высота барьеров, k постоянная Больцмана, µ0 - предэкспоненциальный множитель. Анизотропияэлектропроводности может быть связана как с различным числом барьеров вдольразных кристаллографических направлений, так и их высотой.

Разница в значенияхвысот потенциальных барьеров объясняет наблюдаемое различие энергий активацииэлектропроводностивдольразличныхкристаллографическихнаправлений.Вдиссертации приводятся возможные причины различий высот потенциальныхбарьеров вдоль рассматриваемых кристаллографических направлений.В разделе 3.2 приведены данные о фотопроводимости анизотропного мезо-ПК.Во всей области исследованных температур величина фотопроводимости вдолькристаллографического направления [ 1 1 0 ] выше, чем вдоль направления [001].Относительное различие между величинами σph вдоль кристаллографическихнаправлений [001] и [ 1 1 0 ], так же как и между значениями темновой проводимости,уменьшается с повышением температуры. Анизотропия фотопроводимости можетбыть объяснена аналогично случаю темновой проводимости.Исследованиялюкс-амперныххарактеристикпоказали,чтопривсехиспользуемых интенсивностях падающего на образец излучения, фотопроводимостьσph зависит от интенсивности света I по закону: ∆σph= α·Iγ, где α – некотораяпостоянная, а γ- показатель степени люкс-амперной характеристики.

Измерения былипроведены при различных напряжениях смещения (U=5B, 10B) и при различных13температурах (T=300K, 200K). Анализ люкс-амперных характеристик показал, чтодля всех зависимостей γ принимает аномально малые значения (γ <0.5). Значенияпоказателя степени люкс-амперной характеристики может быть меньше 0.5 в случаетуннельной рекомбинации [13]. В нашем случае неравновесные носители зарядамогут(дырки)посредствомтуннелированиясквозьпотенциальныйбарьерзахватываться на локализованные состояния на границах нанокристаллов с аморфнойфазой или порами, и далее рекомбинировать с электронами.В разделе 3.3 проведены исследования электропроводности и ёмкостианизотропного мезо-ПК методом импеданс-спектроскопии. В результате анализазависимости мнимой части импеданса (-ImZ) от действительной (ReZ) былапредложена одна из возможных эквивалентных схем исследованной структуры,состоящая из двух параллельных RC-цепочек, соединенных последовательно междусобой.

Одна цепочка описывает влияние на перенос носителей заряда потенциальныхбарьеровнаграницахнанокристаллов,другуюможноотождествитьссопротивлением (Rs) и емкостью (Cs) самой кремниевой структуры, уже без учетапотенциальных барьеров. С помощью предложенной эквивалентной схемы вдиссертации объясняются измеренные частотные зависимости электропроводности иемкости анизотропного мезо-ПК.Данные3500σ1/σ23002анизотропииэлектропроводности и ёмкости в4400обслучае5переменногосигналаприведены в разделе 3.4.

На рис. 2показаны частотные зависимости200анизотропии1100определяемой0 0123456710 10 10 10 10 10 10 10f, Гцпроводимости,какотношениепроводимостиσ1направления[1 1 0] )(вдолькРис. 2. Частотные зависимости анизотропиипроводимости σ2 (вдоль оси [001]),темновойдля различных температур. Во всемэлектропроводности(σ1/σ2),полученные при различных температурах: (1) -исследованном интервале частот и370 К, (2) - 330 К, (3) – 270 К, (4) – 210 К, (5) –температур170 К.соотношение σ1/σ2 >>1. Величина14выполняетсяσ1/σ2 максимальна в области низких частот и температур.

В случае низких частотосновноевлияниенапереносносителейпотенциальные барьеры на границахзаряда,по-видимому,нанокристаллов.оказываютПоэтому анизотропияпроводимости может быть объяснена различной высотой потенциальных барьеров вкристаллографических направлениях [1 1 0] и [001]. По мере увеличения частоты рольпотенциальных барьеров ослабевает и при высоких частотах (когда влияниемпотенциальныхбарьеровнаэлектрическийтранспортможнопренебречь)анизотропия проводимости, так же как и анизотропия оптических свойств, вансамблях анизотропных кремниевых нанокристаллов может быть описана на основемоделиэффективнойсреды[14].Следуетотметить,чтоанизотропияэлектропроводности остается довольно высокой (σ1/σ2>10) и при больших частотах(f=10 МГц).