Диссертация (1097807), страница 42
Текст из файла (страница 42)
6.26. Частотные зависимости анизотропии темновой проводимости (σ1/σ2), полученные приразличных температурах.Во всем исследованном интервале частот и температур выполняется соотношениеσ1/σ2>>1. В то же время, величина σ1/σ2 максимальна в области низких частот итемператур. Как показано на рисунке 6.27, отношение σ1/σ2 демонстрирует сильныйрост при Т<270 K. Напротив, при T≥270 K анизотропия проводимости практическиперестает зависеть от температуры.В случае низких частот основное влияние на перенос носителей заряда, повидимому, оказывают потенциальные барьеры. Поэтому анизотропия проводимостиможет быть объяснена аналогично объяснению анизотропии на постоянном токе. Приповышении частоты приложенного переменного сигнала, сопротивление барьеров Rb“шунтируется” емкостью Cb, что приводит к наблюдаемому ослаблению анизотропиипроводимости.
Из данных рисунка 6.26 видно, что значительная анизотропияпроводимости сохраняется на частотах вплоть до 10 МГц.2371000σ 1 /σ2f = 100 Гцf = 1МГц10010200300400T, KРис. 6.27. Температурная зависимость анизотропии проводимости при двух частотах переменногосигнала.На рисунке 6.28 показаны частотные зависимости анизотропии ёмкости,определяемой как отношение ёмкости вдоль направления [1 1 0] (C1) и ёмкость вдольнаправления [001] (С2). Как и в случае проводимости, существует значительнаяанизотропия ёмкости для данных кристаллографических направлений. Однаконаблюдается немонотонное изменение анизотропии ёмкости с частотой переменногосигнала.
При частотах порядка 105 Гц наблюдается максимальное значениеанизотропии. Как видно из рисунка 6.28 значения ёмкости при низких частотах и причастотах ~1 МГц для различных кристаллографических направлений практически неотличаются. Возникновение значительной анизотропии в области средних частотможет быть связано с различной скоростью изменения ёмкости при увеличениичастоты переменного сигнала для различных кристаллографических направлений.238100C1/C2210K370K102711100K102103104105106107f, ГцРис. 6.28. Частотные зависимости анизотропии ёмкости (С1/C2), измеренные при различныхтемпературах.Таким образом, измерения электропроводности на постоянном и переменном токеуказывают на существование потенциальных барьеров, которые вероятно находятся награницах нанокристаллов. При этом перенос носителей заряда осуществляется поделокализованным состояниям.
Чтобы лучше понять роль потенциальных барьеров вмезо-ПК, в работе были проведены исследования электрических свойств ПК сразличнымповерхностнымсостояниемнанокристаллов,котороеизменялосьпосредством адсорбции активных молекул и термического окисления. Эти исследованиябудут описаны в следующей главе.6.6. Фотопроводимость анизотропного мезопористого кремнияАнализ литературы, посвященной исследованию ПК, показывает, что изучениюфотопроводимости ПК уделено значительно меньше внимания, чем изучениюэлектропроводности. В большинстве работ в качестве образцов используются слоимикро-ПК [см., например, 297-299].
Проведенные нами исследования были направленына определение влияния анизотропии формы нанокристаллов на фотопроводимостьанизотропного ПК.На рис 6.29 представлены температурные зависимости фотопроводимости ∆σph ПК,измеренной вдоль направлений [001] и [ 1 1 0 ]. Из рисунка видно, что во всей области239исследованных температур величина фотопроводимости вдоль кристаллографическогонаправления [ 1 1 0 ] выше, чем вдоль направления [001].
Относительное различие междувеличинами σph вдоль кристаллографических направлений [001] и [ 1 1 0 ], так же как имежду значениями темновой проводимости, уменьшается с повышением температуры.-510-610-710-810-9-1∆σph, Ом см-110234561000/T, K789-1Рис 6.29. Температурные зависимости фотопроводимости слоев анизотропного ПК вдоль направлений[001] и [ 1 1 0 ]. К образцу приложено напряжение U=5В.Согласно формуле (3.10) величина стационарной фотопроводимости определяетсятемпом генерации, стационарным временем рекомбинации и подвижностью дырок.Поскольку темп генерации G не может зависеть от кристаллографического направления,вдоль которого измеряется фотопроводимость (пространство между контактамиосвещается одинаково), то анизотропия фотопроводимости может быть связана сразличными значениями τст и µd.Для того, чтобы выяснить, чем определяется время рекомбинации τ быливыполнены исследования люкс-амперных характеристик, которые показали, что привсехиспользуемыхинтенсивностяхпадающегонаобразецизлучения,фотопроводимость σph зависит от интенсивности света I по закону:∆σ ph = α ⋅ I γгде α – некоторая постоянная, а γ - показатель степени люкс-амперной характеристики.Напомним, что аналогичные ЛАХ наблюдались и для пленок nc-Si:H (см.
пункт 3.4).240Полученные в работе люкс-амперные характеристики образцов анизотропного ПК вслучае электрического транспорта вдоль направления [ 1 1 0 ] представлены на рис 6.30.Измерения были проведены при различных напряжениях смещения (U=5B, 10B) и приразличных температурах (T=300K, 200K). Анализ люкс-амперных характеристикпоказал, что для всех зависимостей γ принимает аномально малые значения (γ <0.5).Показатель степени γ<0.5 был получен и в случае переноса носителей заряда вдолькристаллографического направления [001].Как уже отмечалось (см.
главу 3) значения показателя степени люкс-ампернойхарактеристики может быть меньше 0.5 в случае туннельной рекомбинации спредварительнойтермическойактивациейносителейзаряда.Основнымирекомбинационными центрами в ПК являются оборванные связи кремния, которые восновном расположены на границах нанокристаллов друг с другом и на границахнанокристаллов с порами. Перенос носителей заряда осуществляется по нанокристаллампутем активационного преодоления потенциальных барьеров между ними. Однако,поскольку диффузионная длина носителей заряда в ПК более 500 нм, т.е.
заметнопревышает размер нанокристаллов, то рекомбинация носителей заряда можетпроисходить на границах нанокристаллов друг с другом или порами. Как и в случае ncSi:H,можнопредположить,чторекомбинацияосуществляетсяпосредствомтуннелирования дырки сквозь потенциальный барьер, находящийся на границенанокристалла.Анизотропия фотопроводимости может быть связана как с различным значениемподвижности носителей заряда, так и с различным их временем жизни. Последнееможет меняться за счет различного уменьшения потенциальных барьеров на границахнанокристаллов вдоль различных кристаллографических направлений под действиемприложенного напряжения (как это описано в пункте 6.4), что может приводить кразличной вероятности туннелирования носителей заряда сквозь барьер.241110-7-1∆σ ,Ом см-12ph3104-80 ,11I/I 0Рис 6.20. Люкс-амперные характеристики слоёв ПК.
1 – U=10 B, T=300K; 2 – U=5B, T=300K; 3 – U=10B,T=200K; 4 – U=5B, T=200К.6.7.Выводы по главе 6.1. Обнаружено,чтоэлектропроводностьслоеванизотропныхансамблейкремниевых нанокристаллов (пористого кремния) вдоль кристаллографическогонаправления [ 1 1 0 ] (вдоль которого вытянуты нанокристаллы) существенно выше, чемвдоль кристаллографического направления [001] (анизотропия электропроводности).Энергия активации температурной зависимости электропроводности для направления[ 1 1 0 ] меньше, чем для направления [001]. Предположено, что перенос носителей зарядав исследованных образцах ПК (с размером нанокристаллов 10-100 нм) происходит поделокализованным состояниям кремниевых нанокристаллов. Энергия активацииэлектропроводности определяется положением уровня Ферми относительно краясоответствующей зоны (валентной или проводимости) и высотой потенциальныхбарьеров на границах кремниевых нанокристаллов.
Предложена модель, объясняющаянаблюдаемую анизотропию электропроводности.2. Методом импеданс-спектроскопии обнаружено, что отношение значенийпроводимости ансамблей кремниевых нанокристаллов вдоль кристаллографическихнаправлений [ 1 1 0 ] и [001] уменьшается с увеличением частоты переменного сигнала,242однако, остаётся достаточно большим (много больше единицы) даже при частотах ~10МГц.3. Предложена эквивалентная схема исследованных структур анизотропного ПК,позволяющая объяснить наблюдаемые частотные зависимости проводимости пористогокремния.
На эквивалентной схеме имеются две параллельные RC-цепочки, соединенныепоследовательно между собой. Одна цепочка (RbCb) описывает влияние на переносносителей заряда потенциальныхбарьеров. В этом случае Rb представляет собойсуммарное сопротивление, а Cb - суммарную зарядовую емкость всех имеющихся вструктуре потенциальных барьеров.
Другую цепочку (RsCs) можно отождествить ссопротивлением (Rs) и емкостью (Cs) самой кремниевой структуры, уже без учетапотенциальных барьеров.4. Показано, что механизм рекомбинации неравновесных носителей заряда ванизотропном ПК носит туннельный характер, а основными рекомбинационнымицентрами могут быть состояния на границах нанокристаллов. Обнаружено, чтофотопроводимость вдоль кристаллографического направления [ 1 1 0 ] существенновыше,чемвдолькристаллографическогонаправления[001](анизотропияфотопроводимости).
Показано, что анизотропия фотопроводимости может быть связанакак с различным значением подвижности, так и с различным стационарным временемжизни носителей заряда. Последнее может меняться за счет разного уменьшенияпотенциальных барьеров на границах нанокристаллов вдоль кристаллографическихнаправлений [ 1 1 0 ] и [001] под действием приложенного напряжения, что можетприводить к различной вероятности туннелирования носителей заряда сквозь барьер.243ГЛАВА 7.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
