Диссертация (1097807), страница 38
Текст из файла (страница 38)
Этосвязано, во-первых, судалением значительной части вещества в результатеэлектрохимического травления. Во-вторых, в настоящее время доказано, что в процессепорообразованиявокругкаждойпорымогутвозникатьобласти,обедненныесвободными носителями заряда [269, 270]. В качестве причин образования обедненныхобластей обычно рассматриваются три: захват носителей заряда ловушками наповерхности пор, уход примесных атомов в электролит или на стенки пор и пассивацияпримесных атомов водородом.
Обеднение носителями заряда в рассматриваемыхобластях может быть значительным, вплоть до перехода к состоянию с собственнойпроводимостью. Обедненные области могут достаточно далеко распространяться вглубькремниевой матрицы вследствие высоких значений коэффициента диффузии водорода.Перенос носителей заряда в ПК в значительной степени зависит от величины209пористости, диаметра пор, размеров обедненных областей, от эффективности процессовзахвата носителей на ловушки и т.д.В работах [262, 266] было показано, что температурные зависимости проводимостислоёв ПК имеют активационный характер и описываются формулой (3.1).
В литературевстречаются значения энергии активации от 0.06 до 1 эВ.Однако, в работе [271] было обнаружено, что зависимость проводимости оттемпературы может иметь различный характер в области низких и высоких температур.При высоких температурах проводимость носит активационный характер (3.1), а принизких температурах подчиняется закону:–* = –0u−d0v ,dгде σ 0 и T0 - некоторые постоянные, что соответствует проводимости, наблюдаемой вомногихразупорядоченныхматериалах.ВеличинаT0характеризуетстепеньразупорядоченности материала, а показатель степени n определяется размерностьюсистемы.Большинство работ по изучению переноса носителей заряда в ПК посвященыисследованию микро-ПК.
В микро-ПК размер нанокристаллов мал и большое влияниена электропроводность оказывают квантово-размерные эффекты [264]. Вследствие этогомеханизм переноса носителей заряда в такой структуре может отличаться от механизмапереноса в пористом кремнии с большим размером нанокристаллов (мезо-ПК).Результаты исследований показывают, что в микро-ПК преобладает прыжковыймеханизм проводимости. На это указывают и частотные зависимости проводимости ПК[272, 273].
В работе [272] была измерена проводимость в диапазоне частот от 1 Гц до100 кГц (рис. 6.3). При высоких частотах проводимость зависит от частоты ω постепенному закону с показателем степени близким к 1. При меньших частотахпроводимость пропорциональна ω1/2.210Рис. 6.3. Зависимость проводимости ПК от частоты, измеренная при различных температурах [272].В результате исследования авторы [272] сделали вывод о том, что прыжкиосуществляются по состояния, расположенным вблизи уровня Ферми.Сравнение электрических свойств ПК с разным размером нанокристаллов быловыполнено в работе [274].
Авторы использовали два типа образцов с размераминанокристаллов 4 и 10 нм. В образце с размером нанокристаллов 4 нм наблюдалсяквантово-размерныйэффект,чтоподтвердилиизмеренияспектровфотолюминесценции. В результате исследования было установлено, что переносносителей заряда в образцах обоих типов происходит по делокализованным состояниям.Сравнивая экспериментальные результаты полученные в работе [274] c результатамидругих работ, авторы сделали вывод что в ПК возможны два механизма проводимости –прыжковый и проводимость по делокализованным состояниям.
Каждому из этихмеханизмов соответствует своя группа данных на рисунке 6.4.211Рис. 6.4. Зависимость предэкспоненциального фактора от энергии активации проводимости [274].Верхняя сплошная линия соответствует проводимости по делокализованным состояниям, нижняя –прыжковому механизму проводимости.Следует также отметить, что полученные в работе [274] энергии активации дляобразцов обоих типов превышают половину ширины запрещенной зоны.
Это можетбыть объяснено образованием щели подвижности, которая не равна оптической ширинезапрещенной зоны. При этом предполагается, что проводимость определяется слоемаморфного сплава кремния с водородом и кислородом, расположенного на поверхностикристаллитов кремния в ПК. На это указывает сходство температурных зависимостейпроводимости и фотопроводимости для ПК и аморфного кремния (a-Si:H). В то жевремя температурные зависимости сильно отличаются от аналогичных зависимостей вc-Si (EA=0,043 эВ). Это свидетельствует о том, что c-Si практически полностьюисключен из процессов проводимости.При уменьшении энергии активации проводимости наблюдается расхождениемежду данными для ПК и a-Si:H, что свидетельствует об усилении влияниякристаллического ядра на проводимость.
Можно полагать, что в таких образцахпроводимость осуществляется вдоль множества извилистых путей в кораллоподобнойкремниевой структуре [264]. Таким образом, следует выделить три возможныхмеханизма проводимости в ПК: прыжковая проводимость, проводимость по аморфнойфазе на поверхности нанокристаллов и проводимость по делокализованным состояниямкремниевой структуры.212Как видно из приведенных литературных данных, на данный момент не существуетоднозначного мнения о механизмах переноса носителей заряда в ПК. Более того,большинство исследований электрического транспорта выполнено на образцахмикропористого кремния. В этом случае, поскольку размеры нанокристаллов малы,наблюдаетсяквантованиеэлектронныхуровнейипереносносителейзарядаосуществляется посредством прыжков по локализованным состояниям нанокристаллов.В то же время проводимость мезо-ПК исследована в значительно меньшей степени.
Вмезо-ПК размеры нанокристаллов значительно больше (10-100 нм), чем в микро-ПК, ипредставляетсявозможнымтранспортносителейзарядаподелокализованнымсостояниям кремниевой структуры. Однако, в имеющейся на данный моментлитературе, подробно не обсуждается вопрос о роли делокализованных состояний вмеханизмах переноса носителей в мезо-ПК.Относительно недавно было обнаружено, что ПК, полученный в результатеэлектрохимического травления пластин монокристаллического кремния с ориентациейповерхности (110) обладает сильной оптической анизотропией, в частности проявляетсвойства одноосного двулучепреломляющего отрицательного кристалла [275,276].Оптическую анизотропию авторы указанных работ связывают с анизотропией формынанокристаллов, которая наблюдается в таком ПК, а именно с тем, что нанокристаллывытянуты вдоль кристаллографического направления [ 1 1 0 ].
Эксперименты показали,что разность показателей преломления вдоль направлений [ 1 1 0 ] и [001] достигаетнаибольшего значения для слоев ПК с размерами нанокристаллов 10-50 нм. Авторыобъясняют оптическую анизотропию на основе модели эффективной среды [277].В то же время, исследований анизотропии проводимости в таких материалахвыполнено не было. В литературе отсутствуют также данные о влиянии частотыпеременного сигнала на электропроводность и емкость ПК, обладающего анизотропиейформы нанокристаллов.Исходя из этого, целью настоящей главы являлось проведение систематическихисследований темновой проводимости анизотропного мезо-ПК, выяснение влияниятемпературы, величины и частоты переменного сигнала на электрический транспорт впористом кремнии, обладающем латеральной анизотропией формы нанокристаллов.2136.2.
Методы формирования и структура пористого кремнияВпервые пористый кремний был получен в 1956 году группой ученых из США подруководством A. Uhlir в ходе исследований процесса электрохимической полировкиповерхности кремния [278,279]. Такая операция необходима для придания рабочейповерхности идеально гладкого, зеркального состояния. В ходе травления былообнаружено, что при определенных режимах (низкой плотности анодного тока ивысокой концентрации HF в электролите) вместо процесса электрополировкинаблюдалось образование окрашенных пленок на поверхности кремния.
Былоустановлено, что цветные слои имеют в своем объеме сеть мельчайших пор.Формирование пор начинается на поверхности пластины и с течением времени аноднойобработки концы пор все дальше продвигаются вглубь кристалла. В результате этоготолщина пленок пористого кремния в зависимости от времени травления можетизменяться от единиц до сотен микрон. Электрохимическое травление до сих порявляется одним из наиболее практичных и доступных способов получения пленок ПК. Вкачестве электролитов обычно используют концентрированную плавиковую кислоту(HF) или ее водно-спиртовые смеси HF:H2O:C2H5OH в различных пропорциях, взависимости от условий эксперимента [259,280-282].Для образования ПК необходима, во-первых, доставка ионов фтора (F-) в зонуреакции, и, во-вторых, наличие положительных зарядов (дырок) на границе кремнийэлектролит.
Из этого следует, что процессы травления кремния n- и p-типа будутотличаться из-за различной концентрации дырок в них. Для n-Si помимо подвода ионовF- необходим какой-либо внешний фактор, стимулирующий генерацию дырок. Этоможет быть нагревание, освещение,легирования,апорообразования.такженаличиеДоставкаионовударная ионизация. Увеличение степениструктурныхфтораF-дефектоввзонуоблегчаютреакциипроцессопределяетсядиффузионными, конвекционными и миграционными процессами.Толщина пленки пористого кремния возрастает с увеличением времени травления t[281]. Сначала это соотношение линейное, причем наклон прямых увеличивается сростом плотности тока j.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
