Диссертация (1097807), страница 45
Текст из файла (страница 45)
7.6. Зависимости величины микроскопической подвижности от концентрации свободных носителейзаряда, определяемой из спектров пропускания, для образцов ПК p-типа (А) и n-типа (Б).Величина микроскопической подвижности дырок в исследованных образцах ПК pтипа в вакууме составляет ~2.9⋅10-3 см2/В⋅с, что по порядку величины согласуется созначениями дрейфовой подвижности дырок в ПК, полученными в работах [326, 327] спомощью время-пролетной методики.
Произведенные авторами оценки величинымикроскопической подвижности электронов в образцах ПК n-типа показали,чтоµe≈1.1⋅10-2 см2/В⋅с. Авторы работы [328] получили такое же значение (µe=10-2 сm2/V⋅s)для дрейфовой подвижности электронов в ПК n-типа. Необходимо отметить, что вработах [326-328] использовался ПК, полученный из более высокоомных пластин c-Si,чем у нас. Следовательно, исследованные в этих работах образцы обладали меньшимиразмерами пор и кремниевых нанокристаллов.
Кроме того, дрейфовая подвижностьучитывает захват носителей заряда на состояния ловушек, в то время какмикроскопическая подвижность определяется для заряда, движущегося по зонеделокализованных состояний, без учета его захвата на ловушки [325].Из рис. 7.6 видно, что микроскопическая подвижность носителей зарядазначительновозрастаетврезультатеадсорбции.Величинамикроскопическойподвижности, в случае наличия потенциальных барьеров на границах нанокристаллов,257должна зависеть от высоты данных потенциальных барьеров. При адсорбции активныхмолекул высота потенциальных барьеров может изменяться за счет перезарядкиповерхностных состояний. В случае уменьшения высоты потенциальных барьеровмикроскопическаяподвижность будет возрастать и приводить к нелинейнойзависимости электропроводности от концентрации свободных носителей заряда (см.рис. 7.5).На рис.
7.7 приведены температурные зависимости электропроводности образцовПК p-типа (А) и n-типа (Б), измеренные в вакууме (кривые 1) и после адсорбцииактивных молекул при давлении насыщенных паров (кривые 2). Видно, чтотемпературные зависимости электропроводности имеют активационный характер иописываются выражением (3.1). Тот факт, что в результате адсорбции характертемпературной зависимости электропроводности не изменяется, указывает на наличиеодного и того же механизма проводимости до и после адсорбции.
Поскольку висследованных образцах размеры нанокристаллов велики (средний размер превышает10 нм) и, следовательно, кантово-размерный эффект пренебрежимо мал, переносносителей заряда по делокализованным состояниям кремниевых нанокристаллов, повидимому, является определяющим.
Этот факт также подтверждают исследованиячастотных зависимостей электропроводности в анизотропном мезо-ПК.-2-1σh, Ом смБ2-410-210-52 10-310-610-410-7101-5101-810-9-610-310-1-110-1А-110σe, Ом см134531000/T, К-1456101000/T, К-1Рис. 7.7. Температурные зависимости удельной электропроводности для образцов ПК p-типа (А) и nтипа (Б), полученные в вакууме (кривые 1) и при адсорбции молекул I2 (кривая 2 на рис. (А)) и NH3(кривая 2 на рис. (Б)).258Из рис.
7.7 видно, что энергии активации температурных зависимостейэлектропроводности до и после адсорбции различаются. Для ПК p-типа они составляютзначения Ea=0.22 эВ и Ea=0.17 эВ до и после адсорбции, соответственно. Для образцовn-типа в вакууме Ea=0.31 эВ, а после адсорбции Ea=0.25 эВ. Изменение энергииактивации может происходить за счет смещения уровня Ферми к краям зон приувеличении концентрации свободных носителей заряда и за счет изменения высотыпотенциальных барьеров на границах кремниевых нанокристаллов.7.5. Модификация электрофизических свойств изотропного ПК притермическом окисленииВ данном разделе приводятся сведения о проводимости изотропных образцов ПК,полученных из кремниевой пластины p-типа, с ориентацией поверхности (100). Подизотропным ПК будем понимать ПК, в котором отсутствует анизотропия формынанокристалловвплоскостиповерхностиобразца.Измеренияпроводимостипроводились при двух ориентациях контактов (планарного и типа сэндвич).
Для этогометаллические контакты напылялись в двух различных конфигурациях (рис. 7.8). ДляизмеренияэлектропроводностивдольповерхностислояПКнаповерхностиформировались два металлических контакта, с расстоянием между ними 0.2-0.3мм (рис.7.8 а). Чтобы исследовать электропроводность в направлении перпендикулярном слоюПК использовалась структура типа «сэндвич» (рис. 7.8 б).а)б)Рис. 7.8. Расположение контактов в случае изотропного ПК а) планарное расположение;б) расположение типа «сэндвич».Слои ПК, оставленные на воздухе при комнатной температуре начинаютдостаточно быстро окисляться. Как показывают исследования, уже после первых сутокнахождения на воздухе электропроводность образцов может уменьшиться на 2-3порядка (рис. 7.9).
Поэтому в дальнейшем под свежеприготовленными образцами будут259пониматься образцы, на которых измерения были выполнены непосредственно в день-1σd, Ом см-1приготовления.10-210-310-410-510-602468 10 12 14 16t, суткиРис. 7.9. Изменение электропроводности ПК при окислении на воздухе при комнатной температуре.На рис. 7.10 представлены ИК спектры пропускания T(ν) для слоев изотропногоПК p-типа, полученные в вакууме при комнатной температуре. Отчетливо видно, что наповерхности свежеприготовленного кремния присутствуют кремний-водородные связи(Si-Hx (x=1, 2, 3)). Иными словами, поверхность свежеприготовленного образцагидрогенизирована. При отжиге образцов водородное покрытие уменьшается, ипоявляются пики поглощения, соответствующие связям Si-O и Si-OH.
На спектре ИКпропускания,полученногодлясвежеприготовленногоПК,виднамонотоннаясоставляющая, которая соответствует поглощению ИК излучения на свободныхносителях заряда. Отсутствие монотонной зависимости на ИК спектрах пропусканияотожженных образцов говорит об уменьшении концентрации основных носителейзаряда,которыезахватываютсянадефекты,непременновозникающиеприформировании окисла.Из ИК спектров пропускания методом, описанным в предыдущем разделе быларассчитанаконцентрациясвободныхносителейзарядависследуемых«свежеприготовленных» образцах при комнатной температуре.
Она оказалась равной6·1018 см-3.260Рис. 7.10. ИК-спектры пропускания для образцов изотропного ПК p-типа в вакууме. 1 свежеприготовленный образец, 2, 3, 4 – образцы, отожжённые при температурах 150, 300, 450ºСсоответственно.На рис. 7.11 представлены вольтамперные характеристики слоёв изотропного«свежеприготовленного» ПК, измеренные при комнатной температуре на постоянномтоке. Аналогичные зависимости были получены для всех исследованных в работеобразцов.
Измерения проводились при двух конфигурациях контактов – планарного итипа "сэндвич". Из представленного рисунка видно, что в случае планарногорасположения контактов мы имеем линейную ВАХ, в случае «сэндвича» - слабонелинейную. Термическое окисление не приводило к качественным изменениям ВАХ.абРис.
7.11. Вольтамперные характеристики слоев изотропного «свежеприготовленного» ПК: а) планарноерасположение контактов; б) расположение контактов типа «сэндвич».261На рис. 7.12 представлены температурные зависимости проводимости слоев ПКвдоль поверхности образцов. Из рисунка видно, что, во-первых, все зависимости имеютактивационный характер и могут быть описаны выражением (3.1). Во-вторых,проводимость слоев с отжигом уменьшается, а энергия активации растет. Уменьшениевеличины электропроводности иувеличение энергии активации в результатетермического окисления образцов может быть связано как с увеличением высотыбарьеров на границе кремниевых нанокристаллов, так и с уменьшением концентрациисвободных носителей заряда.На рис.
7.13 представлены температурные зависимости проводимости слоев ПК вперпендикулярном направлении (расположение контактов типа «сэндвич»). Из неговидно, что проводимость свежеприготовленного образца высока и очень слабо зависитот температуры, т.е.
он проявляет свойства вырожденного полупроводника. При отжигеже проводимость уменьшается, но является одинаковой для образцов 2, 3 и 4. Энергияактивации возрастает от 0.004 эВ для первого образца до 0.24 эВ для последнего.10010-410-8EA=0.17 эВ12-1σd, Ом см-1EA=0.06 эВE A=0.44 эВ3EA=0.46 эВ410-122,83,23,6-11000/T, K4,0Рис.
7.12. Температурные зависимости проводимости слоёв ПК при планарном расположенииконтактов: 1 - свежеприготовленный образец, 2, 3, 4 – образцы, отожжённые при температурах 150, 300,450ºС соответственно.2621001010-41-1σd, Ом см-1E A=0.004 эВ-22, 3, 4E A=0.24 эВ10-62,42,62,83,03,21000/T, K3,43,6-1Рис. 7.13. Температурные зависимости проводимости слоёв ПК при расположении контактов типа«сэндвич»: 1 - свежеприготовленный образец, 2, 3, 4 – образцы, отожжённые при температурах 150, 300,450ºС соответственно.Такой вид температурных зависимостей может быть объяснен тем, чтопотенциальные барьеры на границах нанокристаллов возрастают только до температурыотжига 150 °С.
При достижении данной температуры высота их перестает меняться, иэлектропроводность остается постоянной.На рис. 7.14 представлен сравнительный график температурных зависимостейпроводимостей для обеих конфигураций контактов.Из этого рисунка видно, что в свежеприготовленном образце планарнаяпроводимость ниже, чем при расположении контактов в конфигурации типа «сэндвич».Зная удельную проводимость ПК в двух различных направлениях (вдоль иперпендикулярно поверхности), концентрацию СНЗ, рассчитанную по ИК спектрампропускания и используя формулу (3.5), связывающую подвижность СНЗ спроводимостью образцов, для подвижности по проводимости в этих направленияхполучим следующие значения:Àпл = 0.2смсм,Àсэнд = 0.9В∙сВ∙с263110-11012-1σd, Ом см-1-310-51034-710-9102,83,2-11000/T, К3,6Рис.
7.14. Сравнительный график температурных зависимостей проводимостей для обеих конфигурацийконтактов: 1 – «свежеприготовленный» образец, контакт типа «сэндвич»; 2 – «свежеприготовленный»образец, планарный контакт; 3 - образец, отожженный при 450 °С, контакт типа «сэндвич», 4 – образец,отожженный при 450 °С, планарный контакт.Такое различие подвижности может быть обусловлено более значительнымвлиянием потенциальных барьеров на перенос носителей заряда вдоль поверхностипленки. Если предположить, что свежеприготовленные образцы вырождены, тозначения энергии активации и представляют собой высоты потенциальных барьеров длядвух указанных направлений. Кроме того, отличие в значениях подвижностей можетопределяться не только высотой потенциальных барьеров в разных направлениях, но иих количеством.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
