Диссертация (1097807), страница 37
Текст из файла (страница 37)
ПРОВОДИМОСТЬ И ФОТОПРОВОДИМОСТЬПОРИСТОГО КРЕМНИЯ С ЛАТЕРАЛЬНОЙ АНИЗОТРОПИЕЙФОРМЫ НАНОКРИСТАЛЛОВВданнойглавенапримеремезопористогокремнияисследованыэлектрофизические и фотоэлектрические свойства связанных ансамблей нанокристаллов(с характерным размером порядка нескольких десятков нанометров), обладающихлатеральной анизотропией формы. Проведены исследования электропроводности иемкости пористого кремния при различных частотах переменного сигнала, подаваемогона образец. Обсуждается влияние формы нанокристаллов на фотопроводимостьпористогокремния,иобсуждаютсявозможныемеханизмырекомбинациинеравновесных носителей заряда в нем.В начале главы приводятся основные литературные данные по проводимостипористого кремния. Затем описывается метод получения и структура исследованных вработе образцов ПК. Далее приводятся сведения по проводимости пористого кремния санизотропией формы нанокристаллов на постоянном и переменном сигналах. В концеглавырассматриваетсявлияниеанизотропииформынанокристалловнафотопроводимости, анализируются люкс-амперные характеристики и предлагаетсямодель рекомбинации неравновесных носителей заряда.6.1.
Основные литературные данные по проводимости пористогокремнияНачиная с 1991 г. в связи с обнаружением явления электролюминесценции [257,258] появляется большое число работ, посвященных изучению электрических свойствПК и контактных явлений на границе ПК/металл и ПК/кремний. Анализ публикацийпоказывает, что до сих пор нет единой модели, описывающей перенос носителей зарядав ПК. Результаты ряда авторов часто кажутся противоречивыми, а слоям ПКприписываются взаимоисключающие свойства. Однако такое противоречие являетсявполне закономерным.
Известно, что ПК в зависимости от режимов электрохимическойобработки, степени легирования исходного кремния, состава электролита и т.д. можетиметь пористость от 2 до 85% и размер нанокристаллов от единиц до десятковнанометров. Очевидно, что пористый кремний с объемом пор в несколько процентов и204ПК с максимальной пористостью будут отличаться друг от друга не толькоструктурными, но и электрическими свойствами.Поскольку структура ПК вдоль поверхности и перпендикулярно ей сильноразличается, то и все электрофизические параметры (величина электропроводности,подвижность и др.) будут зависеть от направления протекания тока. Особенно такаязависимость будет характерной для мезо- и макро-ПК, в которых ярко выраженаколонная структура (в зависимости от ориентации исходной подложки колонны могутрасполагаться перпендикулярно или под углом к поверхности плёнки) [259].
Поэтомудля изучения электрофизических свойств ПК могут быть использованы два различныхтипа расположения электрических контактов. Чтобы исследовать транспорт носителейзаряда вдоль поверхности ПК используют планарное расположение контактов. В этомслучае металлические контакты напыляются на поверхность ПК на некоторомрасстояниидруготдруга.Дляисследованиятранспортавнаправленииперпендикулярном поверхности ПК используют структуры типа "сэндвич", в которыхна поверхность кремния также напыляется металлический контакт, а вторым контактомслужит кремниевая подложка или второй металлический контакт, напылённый наобратную сторону образца. В качестве металла чаще всего используют алюминий илизолото.При планарном расположении металлических контактов образуется структура сдвумя симметричными переходами металл/пористый кремний, которые могут быть какомическими, так и выпрямляющими.
Для изучения контактных явлений в такихструктурах как правило исследуют их вольт-амперные характеристики. Очевидно, что втакой структуре вольт-амперная характеристика будет симметричной относительнополярности приложенного напряжения. Если контакт металл/ПК является омическим, тозависимость тока от напряжения будет линейной. Однако, чаще всего на границеметалла с пористым кремнием возникает барьер Шоттки. В этом случае контакт будетвыпрямляющим, а вольт-амперные характеристики - нелинейными.Свойства контакта металл/ПК в основном определяются структурными иэлектрическими свойствами пористого кремния. Так, например, на границе алюминия ипористого кремния всегда возникает потенциальный барьер, вследствие чего переходявляется выпрямляющим.
Однако, в случае высокого уровня легирования кремниябарьер становится узким и за счет процессов эффективного туннелирования переход205алюминий/пористый кремний становится омическим (невыпрямляющим) [260]. Данныйэффект также наблюдается в планарной структуре, где в качестве металла используетсяиндий [261]Детальное исследование свойств контакта металл/ПК проведено в работе [260]. Взависимости от пористости и свойств обедненных областей, которые образуются вокругпор, ПК был разделен на 4 группы.
Итоговые результаты о механизмах переноса в ПК ихарактере электрического контакта приведены в таблице 6.1.Таблица 6.1. Электрические свойства ПК. В таблице H — невыпрямляющий, B — выпрямляющийконтакты; в скобках показаны другие возможные варианты. [260]Свойстваобедненных областейХарактер проводимостипри 300 KОбедненные областислабо выражены илиотсутствуютПроводимость покремниевой матрице всоответствии с теориейэффективной среды вмодели "Si + воздух"2Обедненные областисоседних пор неперекрываютсяПроводимость понеобедненным участкамкремниевой матрицысогласно теории эффективной среды вмодели "Si + (воздух +обедненные области)"3Обедненные областиохватывают всемежпоровое пространствоПроводимость пообедненной кремниевойматрице в моделифлуктуирующего потенциального рельефа4Обедненныеносителями нанокристаллы кремнияразличной фрактальнойразмерности окруженыпродуктамиПроводимость пораспределеннымсостояниям в межкристаллитной средеи(или) проводимостьпутем межкри-сталлитныхГруппа1ТемпературнаязависимостьпроводимостиНаиболеевероятныесвойстваконтактовКак у исходногокремнияAl/ПК — H,ПК/Si — HТа жеAl/ПК —B(H), ПК/Si—HАктивационныйхарактер зависимости с Аl/ПК — В,различной энергией ПК/Si — B(H)активацииТа жеAl/ПК — H,ПК/Si — BОднако, как видно из приведенной таблицы, для определения того, будут ликонтакты омическими, необходимо иметь информацию об обедненных областях иналичию продуктов электрохимических реакций на поверхности нанокристаллов.206Чтобы исключить влияние контакта металл/ПК при исследовании переносаносителей заряда вдоль поверхности слоя ПК можно использовать четырёхконтактныйметод измерения проводимости.
В работе [262] исследовались слои ПК n-типа снапылёнными на поверхность алюминиевыми контактами. Было показано, что ток вструктуре металл/ПК/металл определяется выпрямляющим переходом металл/ПК ивольт-амперная характеристика такой структуры является нелинейной.
Однако,четырехконтактный метод позволил получить линейные ВАХ и таким образомисследовать транспорт носителей заряда в слое ПК (рис. 6.1).Рис 6.1. Вольт-амперная характеристика ПК при использовании двухконтактного (прерывистая линия) ичетырехконтактного (сплошная линия) метода [262].В структурах типа «сэндвич» в качестве второго контакта чаще всего используетсямонокристаллическая кремниевая подложка (c-Si). Таким образом, в данных структурахкроме перехода металл/ПК образуется переход ПК/c-Si. Переход ПК/c-Si естественнымобразом формируется в ходе электрохимической обработки кремниевых пластин ипостоянно присутствует в многослойных структурах с пористыми слоями [260].Электрические свойства этого перехода также могут быть различны в зависимости отэлектрофизических параметров ПК.
За счет различия в значениях ширин запрещенныхзон ПК и c-Si на границе ПК/c-Si может образоваться изотипный p-p гетеропереход[263]. Заметим, что значительное увеличение ширины запрещенной зоны ПКнаблюдается только для микро-ПК с размером нанокристаллов менее 3 нм [264]. В этом207случае разумно ожидать, что контакт ПК/c-Si будет выпрямляющим.
Ток через такойгетеропереход обусловлен термоэлектронной эмиссией носителей заряда [263]:Отметим также, что, по мнению авторов работы [263], на электрическиехарактеристики контакта ПК/c-Si заметное влияние могут оказывать электронныесостояния на границе раздела.В мезо-ПК размер нанокристаллов значительно больше, чем в микро-ПК иквантово-размерным эффектом в нём можно пренебречь.
Авторами [265] было показано,что в случае мезо-ПК контакт ПК/c-Si имеет омический характер. Различие типовконтактов (выпрямляющий или невыпрямляющий) для структуры типа Al/мезо-ПК/c-Siприводят к несимметричному виду ВАХ.В работе [266] было показано, что характер вольт-амперных характеристик вструктурах Ме/ПК/c-Si может изменяться в зависимости от толщины слоя ПК. Дляобразцов тоньше 1 мкм ВАХ несимметрична и имеет выпрямляющий характер.Электрический ток в такой структуре в основном определяется контактными явлениями.Для более толстых образцов ВАХ симметричны и ток через образец определяетсясопротивлением ПК.Авторы [266] объясняют нелинейность ВАХ в ПК (как в случае планарнойконфигурации контактов, так и в случае «сэндвич» конфигурации) на основе эффектаПула-Френкеля. На рис. 6.2 показаны зависимости проводимости ПК от корня изпроложенного напряжения.Рис.
6.2. Зависимость проводимости ПК от корня из приложенного напряжения [266].208ЭффектПула-Френкелязаключаетсяввозрастаниитепловойионизациикулоновских центров в твердых телах под влиянием внешнего электрического поля ибыл впервые обнаружен Пулом в 1914 году и теоретически объяснен Я.И.Френкелем [267]. Идея Френкеля состоит в том, что электрическое поле E уменьшаетвысоту потенциального барьера на величину:∆W = 2^/™//,где e – заряд электрона, E – напряженность электрического поля, ε - диэлектрическаяпроницаемость. В отсутствие электрического поля, число свободных носителей заряда,соответствующее тепловой ионизации атомов, пропорционально exp(-U0/2kT), где U0 –энергия ионизации. При наличии поля проводимость будет пропорциональнаu−–* ~W0 − ∆Wv2rdОтсюда получается выражение для проводимости в присутствии электрическогополя:–* = –0или, применительно к ВАХ:~_šW^/™rd////›.Электропроводность пористого кремния, как правило, значительно ниже, чем в c-Siи может достигать значений 10-10 Ом-1см-1 при комнатной температуре [268].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
