Диссертация (1097807), страница 35
Текст из файла (страница 35)
5.1. Вольтамперная характеристика структур nc-Si/Si02 при различных температурах [235].Как видно из представленного материала, в основном внимание авторовпривлекают исследования кинетических явлений в структурах nc-Si/SiO2 при низких(гелиевых) температурах, при которых проявляются квантово-размерные эффекты,такие как резонансное туннелирование и кулоновская блокада.
Однако, как ужеотмечалось,однимизвозможныхпримененийтакихструктурявляетсяихиспользование в светодиодах, которые работают при комнатных температурах. В то же190время при высоких температурах электропроводность структур nc-Si/SiO2 практическине исследована. Очевидно, что механизмы переноса носителей заряда кардинальнымобразом изменятся при повышении температуры.
Представляет несомненный интересизучить вопрос о влиянии количества слоев нанокристаллов и размера нанокристалловна процессы переноса в nc-Si/SiO2 при высоких температурах.5.2.Получение и структура слоев nc-Si/SiO2В настоящее время существует несколько основных методов получения слоев ncSi/SiO2, в частности: молекулярно-лучевая эпитаксия [236,237]; разложение смесимоносилана и водорода в тлеющем разряде с последующим окислением аморфнойматрицы[238];высокотемпературныйотжигструктур,полученныхлибоодновременным напылением мишеней Si и SiO2 [239,240], либо имплантацией ионов Siв высококачественные оксиды SiO2 [241-243], либо напылением периодическихструктур SiOx/SiO2 (x<2) [244-246]. Метод получения nc-Si/SiO2 путем напыленияпериодических структур SiOx/SiO2 с последующим высокотемпературным отжигомпредставляет особый интерес, поскольку позволяет независимо контролировать размери плотность нанокристаллов.
В данном методе с помощью реактивного распыления наподложку c-Si наносятся чередующиеся слои SiOx/SiO2. Толщины наносимых слоевлегко варьируются в широких пределах (от единиц до десятков нанометров) изменениемвременинапыления.Посленанесенияслоевобразцыподвергаютсявысокотемпературному отжигу при температурах T≈800-1200 °С.
В результате такогоотжига происходит релаксация и перестройка связей в нестехиометрическом оксидеSiOx. Диффузия кислорода приводит к образованию в этом слое нанокристалловкристаллического кремния, разделенных областями SiO2 [247]. В случае структур столстыми слоями SiOx, толщиной более 50 нм, процесс образования кремниевыхнанокристаллов хорошо объясняется классической моделью связанной с капиллярнымиэффектами на границе кристаллической фазы и фазы аморфного оксида [248]. Однако,для слоев SiOx меньшего размера необходимо учитывать наличие поверхностнойэнергии на границах слоев SiOx и SiO2.
Это приводит к увеличению температурыкристаллизации [247].Для получения Si нанокристаллов размерами менее 3 нм, а также для однородного(квазиупорядоченного) расположения nc-Si вдоль слоя необходимо получать слои SiOx191со значением x близким к 1 [249]. В этом случае размеры образующихся кремниевыхнанокристаллов задаются толщиной слоя SiO, а толщина слоя SiO2 определяетрасстояние между нанокристаллами.В работе [249] посредством туннельной электронной микроскопии были полученыизображения структур SiO/SiO2 на различных стадиях формирования нанокристаллов(рис.
5.2). На рисунке 5.2 (a) показана структура, полученная в результате осажденияслоев SiO и SiO2 на подложку кристаллического кремния. Размеры слоев составлялипримерно 2.8-3.2 нм. После высокотемпературного отжига данная структура имеет вид,приведенный на рисунке 5.2 (b). Отчетливо видны разделение фаз (образованиенанокристаллов) и квазипериодическая структура расположения нанокристаллов. Нарисунке 5.2 (с) показана данная структура при большем разрешении.
Здесь виднаразупорядоченностьрасположениякремниевыхнанокристалловвнаправлении,параллельном поверхности подложки. На рисунке 5.2 (d) изображены отожженные слоиSiO/SiO2 с меньшим размером слоя SiO (~1 нм), что, как видно, приводит к образованиюnc-Si меньшего размера.Исследования показали [250], что в спектрах комбинационного рассеяния света вотожженных структурах SiO/SiO2 присутствуют вклады от аморфной и кристаллическойфаз. Причем положение пика в рамановском спектре сдвигается в область большихволновых чисел при увеличении температуры отжига от 800 oC до 1050 oC и прибольших температурах отжига приближается к положению, характерному для c-Si.
Вданной работе методом дифракции X-лучей установлено также, что размер Siнанокристаллов совпадает с толщиной слоя SiO.Таким образом, можно заключить, что метод получения nc-Si/SiO2 путемнапыления периодических структур SiOx/SiO2 с последующим высокотемпературнымотжигом позволяет с достаточно высокой степенью точности варьировать размерынанокристаллов и расстояния между ними. Тем самым на таких структурах можнопроследить корреляцию структурных и электрических свойств.192Рис.5.2.
Изображения структур SiO/SiO2 на различных стадиях формирования нанокристаллов [249].Исследованныевпредставляемойдиссертационнойработеобразцынанокристаллов кремния в матрице оксида кремния были изготовлены в институтефизики микроструктур в Германии в группе под руководством М. Захариес. Образцыполучались путем высокотемпературного термического отжига чередующихся слоевSiO/SiO2, которые наносились на подложку c-Si n-типа методом реактивногораспыления.
Тип подложки определялся с помощью измерения термоэдс. Термическийотжиг производился при температуре 1100°С в атмосфере азота в течение 60 минут. ВрезультатепроисходилоквазиупорядоченныхформированиенанокристалловSi,слояразделенныхплотнослоямирасположенныхSiO2.Размерынанокристаллов изменялись от 3 до 6 нм, толщина слоя SiO2 составляла 4 нм.
В работеисследовалось 5 типов образцов нанокристаллов кремния в оксидной матрице. Средний193размер нанокристаллов, толщина слоя SiO2 и количество слоев для каждого образцаприведены в таблице 5.1.Поданнымэлектронноймикроскопииирентгеновскойдифракции,сформированные нанокристаллы имели средние размеры, близкие к толщине исходныхслоев SiO. Дисперсия размеров нанокристаллов составляла примерно 0.5 нм. По даннымпросвечивающей электронной микроскопии, концентрация нанокристаллов Si вобразцах составляла ~1019 см-3.Таблица 5.1.
Средний размер нанокристаллов, толщина слоя SiO2 и количество слоев в образцах ncSi/SiO2№ образца123453 нм3 нм3 нм3 нм6 нм2 нм4 нм4 нм4 нм4 нм110204040Среднийразмер SiнанокристаллаТолщина слояSiO2Количество парслоевnc-Si/SiO25.3.Проводимость слоев nc-Si/SiO2Дляизмеренияэлектрическиххарактеристикобразцовnc-Si/SiO2наихповерхность напылялись золотые контакты площадью 1 мм2 с помощью напылительнойустановки ВУП-5. Нижним контактом служила подложка c-Si.
Для осуществленияхорошего контакта электрода с подложкой использовалась индий-галлиевая паста.Схематично (не в масштабе) описанная выше структура представлена на рисунке 5.3194Рис. 5.3. Схема расположения электрических контактов в исследованных структурахПеред выполнением измерений образец помещался в азотный криостат, которыйоткачивался до давления ~10-4 Торр. После этого проводился температурный отжиг приT=370 К в течении 30 минут. Охлаждение образца происходило с помощью жидкогоазота. Нагревание и контроль температуры осуществлялся при помощи контроллераSpecac Eurotherm 2216e. Температура регистрировалась посредством термопары,находящейся в непосредственной близости от образца. Измерения проводились вдиапазоне температур от 170 до 370 К.Проводимость описанных выше МОП-структур Au – nc-Si/SiO2 – с-Si измерялась спомощью пикоамперметра/источника Keithley 6487, который был автоматизирован припомощи среды LabView 7.0.
Измерения проводились в диапазоне подаваемых наобразец напряжений от -0,5 В до 0,5 В, поскольку при больших напряженияхнаблюдался тепловой пробой структуры.Перед исследованием электрофизических свойств структур Au – nc-Si/SiO2 – c-Siбыли измерены вольтамперные характеристики МОП-структур Au–SiO2– c-Si (безкремниевых нанокристаллов) и структур металл (Au) - полупроводник (подложка c-Si).Для получения структур металл-полупроводник золотые контакты напылялисьнепосредственно на подложку c-Si n-типа. Было обнаружено, что в случае отсутствиянанокристаллов в оксидном слое ток через систему Au–SiO2–c-Si не проходит.Вольтампернаяхарактеристикаконтактатемпературе, представлена на рисунке 5.4.Au–c-Si,измереннаяприкомнатной1954030I, мкА20100-10-0,6-0,4-0,20,00,2U, B0,40,6Рис.
5.4. Вольтамперная характеристика при прохождении тока через контакт Au – c-Si.Из графика видно, что вольтамперная характеристика имеет выпрямляющийхарактер. Прямая ветвь соответствует положительному напряжению на металлическомконтакте. Зависимость силы тока от напряжения в данном случае описываетсяформулой для барьера ШотткиS = S9•uWv−1 ,rdгде JSD – плотность тока насыщения, e- заряд электрона, k- постоянная Больцмана.В образцах с одним слоем нанокристаллов кремния в матрице SiO2 (образцы 1 изтаблицы 5.1) наблюдалась та же характерная зависимость тока от напряжения (рис. 5.5),что и для образцов без слоя nc-Si/SiO2, однако величины токов были в несколько разменьше.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
