Диссертация (1097807), страница 34
Текст из файла (страница 34)
При последующем термическом отжиге nc-Si:H, вкладфотопроводимости в σill(T) увеличивается, и зависимость σill(T) приближается к той,которая была до облучения образца.103123∆σph/∆σphA, σd/σdA100αcpm(0.8 eV)/αcpmA(0.8 eV)10110210-110110-210-304080120Ta, oC160100200Рис. 4.17. Относительные зависимости, измеренные при комнатной температуре, проводимости σ* /σ*(1), фотопроводимости (∆σTU /∆σTU ) (2) и коэффициента поглощения α8T’ 0.8 ” /α8T’ 0.8 ” приhν=0.8 эВ (3) облученных пленок nс-Si:H от температуры их отжига в течение 5 минут.Как видно из рисунка 4.17 с ростом температуры отжига коэффициент поглощенияв“области”хвостапоглощенияи,соответственно,концентрациядефектов184уменьшаются.
В то же время величина фотопроводимости возрастает. Корреляцияизменения фотопроводимости и коэффициента поглощения в “дефектной области” (приhν=0.8 эВ) представлена на рисунке 4.18. Как видно зависимость ∆σph от α8T’ 0.8 ” /α8T’ 0.8 ” близка к обратно пропорциональной (показана на рис. 4.18 сплошнойлинией). Этот результат свидетельствует о том, что возникающие при облученииэлектронами дефекты являются основными центрами рекомбинации неравновесныхносителей и определяют величину фотопроводимости nc-Si:H при комнатнойтемпературе.10 -5∆σph, S/cm10 -610 -710 -810 -410 -310 -210 -1α cp m (0.8 eV )/ α cp m (1.8 eV )Рис. 4.18.
Зависимость фотопроводимости (∆σph) пленки nс-Si:H при комнатной температуре отвеличины относительного коэффициента поглощения в “дефектной области” спектра α8T’ 0.8 ” /α8T’ 0.8 ” .Рассмотрим возможную природу возникающих при облучении электронами ncSi:H дефектов. При облучении nc-Si:H электронами с энергией 40 кэВ дефекты могутсоздаваться в кристаллической фазе, аморфной фазе, а также на границах колонннанокристаллов. Однако, как было отмечено выше, при энергиях электронов 40 кэВ в cSi возможен лишь подпороговый механизм дефектообразования.
Поэтому, с нашейточки зрения, при облучении nc-Si:H электронами с энергией 40 кэВ, представляетсямаловероятным возникновение значительной концентрации дефектов внутри колонннанокристаллов, по сравнению с концентрацией оборванных связей, которые могут185образовываться в аморфной фазе или на границах колонн нанокристаллов. В этомслучае полученная нами зависимость фотопроводимости от величины коэффициентапоглощения в “дефектной” области (см. рис.
4.18) и уменьшение фотопроводимости ncSi:H после его облучения электронами (см. рис. 4.17) подтверждают высказанное ранеепредположение о том, что в nc-Si:H рекомбинация неравновесных носителейпроисходит через локализованные состояния оборванных связей на границах колонн.Остановимся теперь на вопросе о возможных механизмах образования поддействием электронов дефектов в nc-Si:H.
Хорошо известно, что метастабильныесостояния в пленках a-Si:H, помимо облучения электронами, можно также создатьпосредством освещения пленок (эффект Стеблера-Вронского) [176]. Однако, как ужеотмечалось в исследованных пленках nc-Si:H, в отличие от аморфного гидрированногокремния, эффект Стеблера-Вронского не наблюдается. Таким образом, можнопредположить, что механизм образования метастабильных состояний в случаеоблучения nc-Si:H электронами отличен от механизма образования дефектов в a-Si:Hпри освещении. Как уже отмечалось выше, метастабильные состояния в nc-Si:Hобразуются в основном или в аморфной фазе или на границах колонн нанокристаллов,где из-за большой доли беспорядка в расположении атомов структуры, фазу можносчитать “почти” аморфной.
В связи с этим, механизмы образования оборванных связейпри облучении электронами nc-Si:H и a-Si:H могут быть идентичны. В случае облученияa-Si:H электронами с энергией в десятки кэВ широко распространен механизмдефектообразования, заключающийся в разрыве слабой Si-Si или Si-H связи за счетвзаимодействия падающего электрона или “горячего” ионизованного электрона сатомом Si или H [227]. Поскольку в наших пленках nc-Si:H велика концентрацияводорода, то образование оборванных связей под действием облучения пленокбыстрыми электронами за счет разрыва Si-H связей может быть преобладающим.Таким образом, при облучении пленки nc-Si:H электронами, в результате разрываслабых Si-Si или Si-H связей образуются метастабильные дефекты, которые полностьюпропадают в результате отжига пленки при температуре 180 оС в течение 1 часа.Проведенные исследования указывают на то, что созданные под действием облученияэлектронами дефекты являются основными центрами рекомбинации неравновесныхносителей заряда в nc-Si:H.1864.4.
Выводы по главе 41. Исследовано влияние на оптические и фотоэлектрические свойства пленок ncSi:H n- и p-типа высокотемпературного термического отжига. На основаниипроведенных исследований сделан вывод о том, что энергетические состояния наповерхностиколонннанокристалловисостояния,определяемыеграницаминанокристаллов внутри колонн, в разной степени влияют на величину поглощения вобласти “хвоста” и величину фотопроводимости. Обнаружено отсутствие корреляциимеждувызваннымитермическимотжигомизменениямифотопроводимостииконцентрации дефектов, дающих вклад в “хвост” поглощения nc-Si:H.
Показано, что этоможет быть связано с определяющим влиянием изменения положения уровня Ферми наизменение величины фотопроводимости при отжиге nc-Si:H.2. Обнаружено увеличение проводимости и фотопроводимости пленок nc-Si:H pтипа при их освещении в атмосфере сухого воздуха. Установлено, что уменьшениедавления остаточных газов в камере приводит к уменьшению наблюдаемых эффектов, ипри освещении пленок в вакууме (Р=10-3 Па) указанные эффекты пропадают.Полученные результаты объясняются влиянием адсорбированного на границах колонн ивнешней поверхности пленки nc-Si:H кислорода.3. Установлено, что облучение пленок nc-Si:H быстрыми электронами с энергией40 кэВ приводит к увеличению коэффициента поглощения в области hν<1.2 эВ иуменьшению фотопроводимости.
Это указывает на возникновение под действиемоблучения электронами nc-Si:H дефектов на границах колонн нанокристаллов.Созданные под действием облучения nc-Si:H электронами дефекты полностью исчезаютпри отжиге nc-Si:H в течение одного часа при температуре 180 оС. Получена обратнопропорциональная зависимость между величиной фотопроводимости и концентрациейдефектов, возникающих под действием облучения электронами пленок nc-Si:H. Данныйрезультат указывает на то, что созданные под действием облучения дефекты, являютсяосновными центрами рекомбинации неравновесных носителей заряда.187ГЛАВА 5. ПЕРЕНОС НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В СЛОЯХ ncSi/SiO2В данной главе обсуждаются особенности переноса носителей заряда в кремниевыхнанокристаллах, внедренных в диэлектрическую матрицу, на примере слоев nc-Si/SiO2.Исследованные слои nc-Si/SiO2 представляли собой квазиупорядоченно расположенныенанокристаллы кремния, разделенные SiO2.В начале главы приводятся основные литературные данные по проводимоститакого рода систем.
Формулируется задача исследований. Потом обсуждается способполучения и структура изучаемых слоев nc-Si/SiO2. Основная часть главы посвященаисследованиювольтамперныххарактеристикитемпературныхзависимостейпроводимости структур Au – nc-Si/SiO2 – с-Si с различным числом пар слоев nc-Si/SiO2и различным размером нанокристаллов. На основе анализа экспериментальных данныхпредлагается модель переноса носителей заряда в структурах Au – nc-Si/SiO2 – с-Si.5.1.Основные литературные данные по механизмам переноса всистемах с кремниевыми нанокристаллами в диэлектрическойматрицеКак отмечалось во введение, структуры с кремниевыми нанокристаллами воксидной матрице обладают эффективной фотолюминесценцией. В связи с этимвозникает вопрос о возможности данных структур излучать свет при протеканииэлектрического тока.
Для получения ответа на данный вопрос, необходимо детальноизучить механизмы переноса носителей заряда в таких структурах. Однако, в литературемеханизмам электронного транспорта в структурах nc-Si/SiO2 уделено значительноменьше внимания, чем их оптическим свойствам.В работе [228] исследовался электронный транспорт в сверхтонких слояхфосфосиликатного стекла (PSG), содержащих один слой нанокристаллов кремния (ncSi)размеромнескольконанометров.Образцыбылиприготовленыметодомвысокочастотного распыления мишеней Si и PSG, с последующим отжигом. Приизмерении вольтамперных характеристик (ВАХ) в поперечном направлении образца(так называемая «сэндвич-структура») при низких температурах (6 К) четконаблюдались периодические кулоновские ступеньки.188Используя методы численного моделирования, авторы [228] аппроксимировалиВАХ структур с одним слоем нанокристаллов в предположении, что электрон проходитполокализованнымэлектроннымсостояниямнанокристалла,последовательнотуннелируя через два потенциальных барьера.
В работе сделано предположение, чтоосновной вклад в проводимость дают нанокристаллы с наибольшим диаметром,поскольку туннельная проводимость в значительной степени определяется расстояниемтуннелирования. Осцилляции на ВАХ были объяснены эффектом кулоновской блокады.При высоких температурах (выше 6 K) осцилляции на ВАХ не наблюдались.Эффекты кулоновской блокады в двухбарьерныхструктурах (с одним слоемнанокристаллов) nc-Si/SiO2 при низких температурах наблюдались в целом ряде работ[229-232]. Было показано, что наблюдаемые в работах вольтамперные характеристикихорошо описываются в рамках полуклассической теории кулоновской блокады[229,232,233].
В результате проведенного на основе данной модели анализа удалосьоценить емкости нанокристаллов и сопротивления барьеров. Для образцов со среднимразмером нанокристаллов ~3.8 нм емкость нанокристалла лежит в интервале от 0.2 до 1аФ, а сопротивление туннельного перехода SiO2 толщиной 1.5 нм составляет 5⋅109 Ом[229].Работа [234] посвящена изучению электронных свойств структур nc-Si/SiO2.Образцы были приготовлены методом плазмохимического осаждения при низкомдавлении и представляли собой МОП-структуры с нанокристаллами кремния воксидном слое. Морфологические исследования структуры на просвечивающемэлектронном микроскопе указывали на однородность структуры до термическогоотжигаификсировалиобразованиенанокристалловкремнияпослеотжига.Вольтамперные характеристики, снятые при различных температурах в интервале T=90300 K, свидетельствуют об осуществлении проводимости по механизму Пула-Френкеляв неотожженных образцах, т.е.
образцах не содержащих кремниевых нанокристаллов.Напротив, в отожженных образцах, по мнению авторов [234], зависимость тока отнапряжения определяется прыжковым механизмом переноса по нанокристаллам, т.е.последовательным туннелированием через барьеры оксидного слоя от одной квантовойточки к другой.Авторы [234] также обнаружили, что в слоях SiOx/SiO2, сформированных накремниевой подложке и не содержащих нанокристаллы, протекает ток в направлении,189перпендикулярном подложке.
Наличие тока в неотожженных слоях SiOx/SiO2, помнению авторов, свидетельствует о слабых диэлектрических свойствах неотожженногослоя SiOx. Также, в данной статье показано, что отожженные образцы SiOx способнынакапливать и хранить носители заряда, что может быть использовано в дальнейшем дляизготовления энергонезависимых запоминающих устройств.В работе [235] проведено измерение спектров электролюминесценции ифотолюминесценции светоизлучающего устройства на основе SiO2, содержащегонанокристаллы Si.
Обнаружено, что пики обоих спектров совпадают. Это былообъясненобыстрымпроцессомзахватанеравновесныхносителейзаряданаповерхностные состояния как в случае оптического, так и в случае электрическоговозбуждения(инжекции).Вольтамперныехарактеристикитакойструктурыдемонстрировали слабую температурную зависимость (рис. 5.1), что объяснялосьтуннельным типом проводимости исследованных структур.Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
