Диссертация (1097807), страница 36
Текст из файла (страница 36)
Выпрямляющий характер вольтамперной характеристики свидетельствует отом, что в данном случае перенос носителей заряда, главным образом, определяетсябарьером Шоттки, существующем на поверхности подложки с-Si. Наличие слоя ncSi/SiO2 приводит лишь к увеличению сопротивления структуры.196Рис. 5.5. Вольтамперная характеристика образца nc-Si/SiO2 с 1 слоем нанокристаллов в SiO2 (образец №1, таблица 5.1).На рисунке 5.5 представлены вольтамперные характеристики, измеренные прикомнатной температуре, для образцов 2-4 (таблица 5.1).
Видно, что при увеличениичисла слоев резко уменьшается значение силы тока, а сами вольтамперныехарактеристики становятся симметричными относительно полярности приложенногонапряжения. Более того, с увеличением числа слоев вольтамперная характеристикаприближается к линейной зависимости и для образцов с 40 слоями nc-Si/SiO2соответствует закону Ома.
Такое поведение вольтамперных характеристик указывает нато, что для образцов с большим числом слоев nc-Si/SiO2 сопротивление структурыопределяется уже не барьером Шоттки в подложке c-Si, а сопротивлением оксиднойматрицы с кремниевыми нанокристаллами. Это может быть связано ссопротивлениематрицыснанокристаллами заметнопревышаеттем,чтосопротивлениепотенциального барьера в подложке, и, следовательно, его вклад в процессы переносаносителей заряда уменьшается с ростом числа слоев. Для образца № 4 (с максимальнымисследованным количеством слоев nc-Si/SiO2) суммарное сопротивление слоев ncSi/SiO2 становится настолько большим, что можно пренебречь сопротивлением,вносимым потенциальным барьером в подложке, вследствие чего ВАХ этого образцаимеет линейный вид.197Рис.
5.5. Вольтамперные характеристики слоев nc-Si/SiO2: 1 – образца № 2 (таблица 5.1); 2 – образца №3 (таблица 5.1); 3 – образца № 4 (таблица 5.1).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.Можнопредложитьследующуюэнергетическуюзоннуюдиаграммуисследованных структур (рис. 5.6). В ней энергетические зоны нанокристаллов кремнияразделены слоями SiO2. Поскольку размер нанокристаллов довольно мал (в среднем 3нм), то в них могут появляться уровни размерного квантования (на рисунке первыеуровни размерного квантования для электронов и для дырок обозначены посредствомEc1 и Ev1). Также в энергетической зонной диаграмме учтен барьер Шоттки,находящийся на границе с-Si и SiO2.Рис.
5.6. Энергетическая зонная диаграмма исследованных структур Au – nc-Si/SiO2 – c-Si.198Длядальнейшего изучения механизмов переноса в исследованных структурахбыли измерены температурные зависимости темновой проводимостиσd(T). Дляобразцов № 1–4 они представлены на рис. 5.7. Измерение температурных зависимостейпроводимости производилось при напряжении наобразце U=0.5 В (положительноенапряжение подводилось к металлу). Для образца № 1 наблюдается активационнаязависимость σd(T) с энергией активации 0.12 эВ практически во всей областиисследованных температур. Как было отмечено выше, на перенос носителей заряда вэтом образце большое влияние оказывает барьер в подложке c-Si, который носителизаряда могут преодолевать посредством термоэлектронной эмиссии.Рис. 5.7.
Температурные зависимости проводимости слоев nc-Si/SiO2: 1 – образца № 1 (таблица 5.1); 2 –образца № 2 (таблица 5.1); 3 – образца № 3 (таблица 5.1); 4 – образца № 4 (таблица 5.1). Стрелкамипоказаны значения энергии активации проводимости.Проводимость в этом случае (см., например, [251])–* ~u−^P − Wv, 5.1rdгде ^P – высота потенциального барьера, e – заряд электрона, W – приложенноенапряжение, k – постоянная Больцмана.
Аппроксимируя, согласно приведенномувыражению, зависимость проводимости от температуры для образа № 1 (таблица 5.1),находим, что высота потенциального барьера в c-Si составляет 0.62 эВ. Данное значениехорошо согласуется с величиной барьера Шоттки в контакте Au с Si n-типа [251,252].Однако в нашем случае в формуле (5.1) не учитывался вклад в энергию активации199проводимости слоя nc-Si/SiO2. Совпадение полученной высоты потенциального барьераШоттки с литературными данными, по-видимому, свидетельствует о том, что в случаеобразца № 1, сопротивление слоя nc-Si/SiO2 не дает существенного вклада впроводимость. Наличием слоя nc-Si/SiO2 может объясняться наблюдаемое небольшоеотклонение от активационного закона зависимости σd(T) для образца № 1.Поскольку ВАХ образца № 4 является линейной, то температурная зависимостьпроводимости для этого образца определяется исключительно диэлектрическойматрицей с кремниевыми нанокристаллами.
На зависимости σd(T) образца № 4 можновыделить два активационных участка. При низких температурах (T<280 K) энергияактивации составляет 0.016 эВ. Энергия активации порядка нескольких мэВ характернадляпрыжковносителейзарядамеждусоседнимисостояниямипримесивкристаллическом кремнии [253], а также в легированном нанокристаллическом кремнии[107]. Разумно предположить, что в нашем случае прыжки (стимулированные фононамитуннельные переходы) могут происходить между соседними нанокристаллами. В этомслучае температурная зависимость прыжковой проводимости определяется выражением–* ~u−^U˜Tv,rdгде ^U˜T – характерная энергия прыжка. Предположение о том, что разрешены прыжкилишь между ближайшими нанокристаллами, отличает данный механизм проводимостиот проводимости примесных полупроводников в режиме переменной длины прыжка(моттовский механизм проводимости).
Заметим, что подобное предположение частоиспользуется для объяснения проводимости гранулированных металлов [254].Следует также отметить, что в оксидной матрице могут существовать состояния,связанные с избыточными атомами кремния, не собравшимися в нанокристаллическиевключения [255]. В связи с этим нельзя исключать возможность того, что электрон изодного нанокристалла попадает в другой не за счет туннелирования однократнымпрыжком, а путем последовательных прыжков по состояниям в оксидной матрице.С увеличением температуры (при T > 280 °K) энергия активации зависимостиσd(T) существенно возрастает и принимает значение 0.73 эВ.
Хорошо известно (см.,например, [13]), что величина разрыва зон проводимости на контакте Si/SiO2 составляет3.2 эВ. Полученная в эксперименте энергия активации значительно меньше даннойвеличины. Поэтому представляется маловероятным «заброс» электронов из кремниевыхнанокристаллов в зону проводимости оксида кремния. Однако поскольку тонкие200диэлектрические прослойки между нанокристаллами имеют аморфную структуру [249],то в связи с нарушением дальнего порядка в SiO2 могут существовать хвосты плотностисостояний вблизи зоны проводимости и валентной зоны. В связи с этим можнопредположить, что при T > 280 K электроны за счет термополевой эмиссии изнанокристаллов кремния попадают на состояния хвоста зоны проводимости SiO2, покоторым движутся за счет прыжков, аналогично движению носителей заряда похвостам плотности состояний в аморфных полупроводниках [149].
Следуя работе [256],можнозаключить,чтовслучаетермополевойтемпературной зависимости проводимостиэмиссииопределяетсяэнергиярасстояниемактивацииотуровняФерми системы до нижнего (по энергии) края хвоста зоны проводимости. Однако,необходимо отметить, что здесь не учитывается квантово-размерный эффект внанокристаллах.
Поэтому наблюдаемая энергия активации может не совпадать собозначенной в работе [256].Температурные зависимости проводимости образцов № 2 и № 3 с промежуточнымколичеством слоев nc-Si/SiO2, по-видимому, являются «суперпозицией» рассмотренныхмеханизмов переноса носителей заряда для образцов № 1 и № 4. Иначе говоря,проводимость образцов № 2 и № 3 складывается из проводимости слоев nc-Si/SiO2 ипроводимости через потенциальный барьер в подложке c-Si. В области низкихтемператур зависимости σd(T) близки к аналогичной зависимости для образца № 4.Поэтому можно предположить, что при низких температурах проводимость образцов №2 и № 3 также, как и образца № 4, определяется прыжками между ближайшиминанокристаллами.В рассмотренных механизмах проводимости исследованных структур размернанокристаллов не играл заметной роли.
Для подтверждения этого факта былипроведены исследования зависимости σd(T) структур Au–nc-Si/SiO2–c-Si с размеромнанокристаллов порядка 6 нм. На рисунке 5.8 показаны температурные зависимостидвух образцов (образцы № 4 и № 5) с одинаковым, равным 40, количеством слоев ncSi/SiO2, но с различным средним размером нанокристаллов. Видно, что температурнаязависимость электропроводности имеет для образца с размером нанокристаллов 6 нмтакой же характер, как и для образца с размером нанокристаллов 3 нм.201Рис.
5.8. Температурные зависимости проводимости образцов №4 (dnc-Si=3 нм) и №5 (dnc-Si=6 нм).5.4.Выводы по главе 51. Обнаружено резкое уменьшение электропроводности МОП- структур Au – ncSi/SiO2 – с-Si при увеличении числа пар слоев nc-Si/SiO2. Показано, что в случае одногослоя нанокристаллов в оксидной матрице сопротивление структуры Au – nc-Si/SiO2 – сSi определяется в основном сопротивлением потенциального барьера на границе с-Si соксидной матрицей. При увеличении числа слоев нанокристаллов и SiO2 значительновозрастает сопротивление области nc-Si/SiO2 и процесс переноса носителей зарядаконтролируетсяэтойобластью.Установлено,чтотемпературныезависимостиэлектропроводности структур nc-Si/SiO2 не имеют ярко выраженного активационногохарактера.2.
Показано, что при увеличении размеров кремниевых нанокристаллов от 3 до 6нм не наблюдается значительного изменения электропроводности структур Au – ncSi/SiO2 – с-Si с большим количеством слоев (40 пар) nc-Si/SiO2 что свидетельствует обопределяющем вкладе в сопротивление структуры слоев SiO2.3. В результате анализа вольтамперных характеристик и температурныхзависимостей проводимости предложен механизм переноса носителей заряда вструктуре Au–nc-Si/SiO2–c-Si. Показано, что на границе подложки с-Si с оксиднойматрицей существует потенциальный барьер для электронов, которым определяетсяэлектропроводность структур с малым количеством слоев nc-Si/SiO2. При увеличении202числа слоев нанокристаллов и SiO2 значительно возрастает сопротивление области ncSi/SiO2 и проводимость контролируется, в основном, этой областью. Сделанопредположение о том, что в области низких температур электронный транспортосуществляетсяпутемпоследовательноготуннелированиямеждусоседнимикремниевыми нанокристаллами, а с повышением температуры начинает преобладатьпереносносителейпроводимости SiO2.зарядаполокализованным состояниям вблизидназоны203ГЛАВА 6.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
