Диссертация (1097807), страница 44
Текст из файла (страница 44)
Типичные спектр отражения пленки ПК, выращенной на p++ c-Si [283].Частота, соответствующая минимуму в спектре отражения νmin связана с частотойплазменного минимума ωp с помощью следующего выражения [114, 321, 322]:ωp= ωminε∞ −1= 2π cνε∞minε∞ −1,ε∞(7.1)где с – скорость света в вакууме, ε ∞ – высокочастотная (оптическая) диэлектрическаяпроницаемость полупроводника ( ε ∞ = 11 .7 для Si).В свою очередь ωp напрямую связана с Nснз (см. например [321]):N снз =ω p 2ε 0ε ∞ m *e2,где m*- эффективная масса (для свободных дырок в c-Si m*= mp*=0.37m0, для свободныхэлектронов m*= me*=0.26m0 [320]); m0=9.1⋅10-31 кг; ε0=8.85⋅10-12 Ф/м, е=1.6⋅10-19 Кл. Сучетом (7.1) получаем:250N снз =(ν min )2 (ε ∞e2π c− 1)m *ε 02,Для пленок ПК, выращенных на подложках слаболегированного c-Si Nснз обычнорассчитывается из спектров пропускания.
Для этого строят график зависимости2коэффициента поглощения α от квадрата длины волны α = kλ , и½ ν =−~l ªk ν/ ¾V¬,где D – толщина пленки ПК, T – коэффициент пропускания, r – коэффициентотражения. Из этой зависимости, зная тангенс угла наклона экспериментальной кривойk, по классической модели Друде, используя выражение [321]:N снз e 3 λ 2α =,4π 2 c 3ε 0 nm *2 µ(7.2)рассчитывают концентрацию свободных носителей заряда [321]:oснз =где k =4§ с_ ™0 l_∗Àr,∆α, µ - микроскопическая подвижность равновесных носителей заряда.∆λ2Поверхность свежеприготовленного мезо-ПК покрыта водородом [283, 301-303],который пассивирует оборванные связи кремния. Водородное покрытие неустойчиво квнешним воздействиям.
В частности, при экспозиции на воздухе происходит частичнаязамена атомов водорода на атомы кислорода, и образуется оксидное покрытие.Начальная стадия окисления сопровождается появлением большого количествадефектов типа оборванных связей, на которые могут захватываться свободные дырки.На это указывает и тот факт, что поглощение ИК излучения, обусловленное свободныминосителями заряда, уменьшается по мере окисления образца.Для образцов ПК p-типа, выдерживавшихся длительное время на воздухе,происходит резкое уменьшение вклада свободных носителей заряда по сравнению сосвежеприготовленными слоями. Это указывает на то, что в процессе естественногоокисленияповерхностикремниевыхнанокристалловпроисходитснижениеконцентрации свободных дырок в слоях ПК. Такое снижение числа свободных дырокможно объяснить их захватом на поверхностные состояния, возникающие при251естественном окислении поверхности кремниевых нанокристаллов.
Эти состояниямогут быть инициированы разрывом поверхностных Si-Si связей, т.е. образованием, такназываемых, оборванных кремниевых связей в обратной (к О-Si) связи или Pb-центров[283, 323]. Кроме того, дырки могу быть захвачены на донорные состояния, связанные садсорбированной на поверхности пор водой [323].Таким образом, из выше изложенного можно сделать вывод, что в слоях ПК,полученных на подложках с высоким уровнем легирования, наблюдается высокаяконцентрация равновесных свободных носителей заряда.
Экспериментальные данныесвидетельствуют о существенном влиянии СНЗ на оптические характеристики слоевПК. Концентрация СНЗ уменьшается для естественно окисленных образцов, что связанос их захватом на возникающие поверхностные состояния. Кроме того, было обнаруженоувеличение концентрации свободных носителей заряда для высокопористых слоев ПК,что связано с ростом относительной концентрации легирующей примеси [315]. Все этоуказывает на возможность достижения высоких концентраций равновесных СНЗ в слояхПК и управления этой концентрацией путем контроля условий формирования ПК идиэлектрического окружения кремниевых нанокристаллов.Измерение спектров пропускания инфракрасного излучения исследованных вработе образцов ПК осуществлялось с использованием ИК-спектрометра с обратнымФурье – преобразованием Bruker IFS 66v/S в спектральном диапазоне 370 – 7500 см-1 иразрешением 2 см-1.
При измерении спектров пропускания ИК излучение падалонормально к поверхности образца. Спектры были получены путём усреднения в 50-100сканирований для достижения требуемого соотношения сигнал/шум.Как говорилось выше, в случае поглощения на свободных носителях зарядакоэффициент поглощения напрямую связан с их концентрацией.
Зависимостикоэффициента поглощения α(ν) слоев мезо-ПК определялись на основе измеренныхспектров пропускания согласно соотношению (в пренебрежении отражением):α (ν ) ≈ − D − 1 ln [T (ν ) ] .Характерпоглощенияисследуемыхобразцов(характерныеразмерынанокристаллов которых больше 5 нм, и, следовательно, проявление квантоворазмерного эффекта незначителен) можно описать с помощью классической моделиДруде в условиях слабого рассеяния.
В этом случае для частот порядка и большеплазменной частоты зависимость α(ν) может быть описана формулой (7.2).252Известно [316], что времена рассеяния дырок τ в nc-Si с характерными размерами,при которых отсутствует проявление квантово-размерного эффекта, близки к значениямвременрассеяниявобъемемонокристалла.Учитываявсевышесказанное,концентрацию свободных носителей заряда в мезо-ПК можно вычислить, используя длянормировки зависимость α(ν) исходной монокристаллической подложки, на которойбыла выращена пленка.
Тогда, используя выражение (7.2) и данные работы [114], можнозаписать для кристаллического кремнияoснз Á − Âà =а для пористого кремниягдеoснз ПК =;½Á−Âà ÄÁ−Âà •λ2ÅПК ÄПК Æλ / œ, 7.3,(7.4)A = 4π 2 c 3ε 0 m* / e 2 - постоянная величина, œ – пористость образца, αc-Si,αПК - коэффициенты поглощения кристаллического и пористого кремния, измеренныена одной длине волны λ, Äс-Si, ÄПК – коэффициенты преломления кристаллического ипористого кремния, соответственно. Используя (7.3) и (7.4) для расчета концентрацииСНЗ в ПК, получаем:oснз ПК =½ПК ÄПК oснз Á − ÂÃ,1 − œ ½8 9: Ä8 9:где Ä c-Si, Nснз(c-Si) – известные величины [324, 325], пористость œ рассчитываетсягравиметрическим способом, ÄПК – рассчитывается из интерференционных осцилляцийспектра пропускания ПК, αc-Si, αПК – определяются из спектров коэффициентапоглощения α(λ) на одной длине волны λ (см. поясняющий рис.
7.3).253c-Siα, см-11000ПК100103456789 1020λ, мкмРис. 7.3. Определение коэффициентов поглощения c-Si и ПК (поясняющий рисунок).7.3. Проводимость мезопористого кремния n- и p-типа при адсорбцииактивных молекулНамибылипроводимости,исследованыполученныеобразцымезопористогоэлектрохимическимкремнияp-итравлениемn-типапластинмонокристаллического кремния в соответствии с методикой, описанной в главе 6 (п.6.2). Обозначение и параметры полученных образцов приведены в таблице 7.2.Таблица 7.2.
Параметры приготовления, характеристики и обозначения образцов ПК.ТипподложкиHF (48%):C2H5OHУдельноесопротивлениеподложки, Ом·смПлотностьтокатравления,мА/см2Времятравления,минПористостьобразца, %ОбразецКДБ (100)1:10.003-0.006302070IКЭМ(100)3:20.001-0.005402070IIНа рис. 7.4, в качестве примера, показаны типичные спектры пропускания T(ν) дляслоев ПК p-типа (образец I из таблицы 7.2), полученные в вакууме (кривая 1) и в случаеадсорбции йода при различных давлениях (кривые 2 и 3).2541001802T, %60403200100020003000ν , см40005000-1Рис. 7.4.
Типичные спектры пропускания для образцов ПК p-типа в вакууме (1) и при адсорбциимолекул I2 при давлении P=0.03 Торр. (2) и при давлении P=0.13 Торр. (3).Какужеотмечалось,монотонноеуменьшениепропусканияобусловленопоглощением ИК излучения на свободных носителях заряда. Видно, что при адсорбциимолекул I2 наклон монотонной составляющей зависимости T(ν) увеличивается, чтоговорит об увеличении концентрации свободных носителей заряда. Спектральныезависимостикоэффициентапропускания,имеющиеаналогичныемонотонныесоставляющие, были получены и при адсорбции молекул NH3 на образцы ПК n-типа(образец II из таблицы 7.2).Характер поглощения в области монотонной составляющей спектра пропусканиядля исследованных образцов ПК может быть описан классической моделью Друде вусловиях слабого рассеяния.
В этом случае из спектров α(ν) можно оценитьконцентрацию свободных носителей заряда в образцах согласно методике, описанной впредыдущем пункте.На рис. 7.5 (А,Б) приведены зависимости удельной электропроводности σh и σe дляПК p- и n-типа, соответственно, от рассчитанной из спектров ИК поглощенияконцентрации свободных дырок p и электронов n.
Погрешности определенияконцентрации свободных носителей заряда приведены на графике. Погрешностиизмерений электропроводности не превышают размера точек. Из графика видно, чтовеличина электропроводности резко (сильнее, чем линейная зависимость) увеличиваетсяс ростом концентрации свободных носителей заряда. Последнее свидетельствует обизменении в результате адсорбции не только концентрации свободных носителей255заряда, но и их подвижности. Изменение подвижности носителей заряда в ПК p-типапри заполнении пор насыщенными парами жидкостей с различными диэлектрическимипроницаемостями было зафиксировано в работе [317]. Авторы объяснили увеличениеподвижности носителей заряда в результате адсорбции, изменением эффективнойдиэлектрической проницаемости ПК, которое приводит к изменению напряженностиэлектрического поля, действующего на свободные носители заряда.
В нашем случаеподобное объяснение не может быть использовано. При адсорбции молекул I2 и NH3диэлектрическая проницаемость меняется пренебрежимо слабо, т.к. в результатеадсорбции не наблюдается значительного изменения показателя преломления n,который напрямую связан с диэлектрической проницаемостью.0-21010-310-210-410-310-4-1-110σe, Ом см-1Б-1σh, Ом см-1А-5101710181910101610-3p, см1718101010-3n, смРис. 7.5.
Зависимости удельной электропроводности от концентрации свободных носителей заряда,определяемой из спектров пропускания, для образцов ПК p-типа (А) и n-типа (Б).7.4. Подвижностьсвободныхносителейзарядавмезопористомкремнии n- и p-типаВеличину подвижности по проводимости для дырок (µh) и электронов (µe) можнооценить по формулам [325]:ÀU =Àf =–U,–f,lгде e – элементарный заряд. Заметим, что по своему физическому смыслу величинаподвижности по проводимости не отличается от микроскопической подвижности.256Зависимости подвижности по проводимости от концентрации свободных дырок иэлектронов для образцов ПК p- и n-типа представлены на рис. 7.6 (А, Б).0-11010Б-110-210-210-310µe, см2/В.сµh, см2/В.сА-317181010191016101710181010n, см-3p, см-3Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
