Диссертация (1097807), страница 46
Текст из файла (страница 46)
Исходя из морфологии ПК можно предположить, что количествобарьеров в перпендикулярном поверхности пленки направлении меньше.При отжиге значения проводимости как вдоль, так и перпендикулярно поверхностиобразца существенно уменьшаются, а анизотропия электропроводности значительноувеличивается. Графики температурной зависимости анизотропии электропроводностидо и после окисления представлены на рис. 7.15. Увеличение анизотропииэлектропроводности можно объяснить только различным изменением подвижностиносителей заряда вдоль исследованных направлений.
Поскольку, как было установленогравиметрическим методом, пористость изотропных образцов довольно высока, ~70 %,то в результате окисления на границах практически всех нанокристаллов формируютсякислородосодержащие комплексы. Известно, что при окислении ПК уменьшается264концентрация свободных дырок за счет захвата их на поверхностные состояния награницах нанокристаллов. В результате этого увеличивается положительный заряд наповерхности нанокристаллов, что приводит к увеличению потенциальных барьеров длядырок.
В связи с этим подвижность дырок заметно уменьшается. Как было показано вглаве 6, высоты потенциальных барьеров при приложении напряжения могутсущественно зависеть от формы нанокристаллов. В направлениях максимальногоразмера нанокристаллов потенциальные барьеры наименьшие. В нашем случае,нанокристаллы вытянуты в направлении перпендикулярном поверхности образца ипоэтому здесь потенциальные барьеры меньше, а проводимость выше. При окислениироль потенциальных барьеров возрастает и анизотропия проводимости увеличивается.Рис. 7.15. Графики температурной зависимости анизотропии электропроводности до и после окисления:1- «свежеприготовленные» образцы, 2, 3, 4, - образцы, отожженные при 150, 300 и 450 °С.Такимобразом,врезультатетермическогоокисленияуменьшаетсякакконцентрация свободных дырок, так и их подвижность.7.6.
Выводы по главе 71. Благодаря совместному измерению концентрации свободных носителей зарядаиз ИК-спектров пропускания и электропроводности пористого кремния полученавеличина подвижности по проводимости основных свободных носителей заряда. Дляпористого кремния p-типа значения подвижности по проводимости µh = 2.9⋅10-3 см2/В⋅с,а для пористого кремния n-типа µe=1.1⋅10-2 см2/В⋅с.2652. Установлено, что подвижность по проводимости носителей заряда в ПКувеличивается при адсорбции активных молекул за счет изменения высотыпотенциальныхбарьеровнаграницахнанокристаллов.Продемонстрированавозможность увеличения на несколько порядков значений концентрации и подвижностисвободных носителей заряда посредством адсорбции.3.
Установлено, что в свежеприготовленном образце ПК планарная проводимостьниже, чем при расположении контактов в конфигурации типа «сэндвич». Определено,что подвижности по проводимости носителей заряда в планарной конфигурацииконтактов и в конфигурации типа «сэндвич» равны 0,2 см2/В⋅с и 0,9 см2/В⋅ссоответственно. Такое различие подвижности может быть обусловлено болеезначительным влиянием потенциальных барьеров на перенос носителей заряда вдольповерхности пленки.4. При высокотемпературном отжиге ПК на воздухе значения проводимости каквдоль, так и перпендикулярно поверхности ПК существенно уменьшаются, аанизотропия электропроводности значительно увеличивается. Увеличение анизотропииэлектропроводности можно объяснить различным изменением подвижности носителейзаряда вдоль исследованных направлений (параллельного и перпендикулярногоповерхности ПК).266ЗАКЛЮЧЕНИЕВ работе исследованы оптические, электрические и фотоэлектрические свойствасистем, содержащих ансамбли кремниевых нанокристаллов.
Проведены исследованиявлияния на указанные свойства объемной доли нанокристаллов, анизотропии формы иповерхностного покрытия нанокристаллов. Получены следующие основные результаты:1. Предложены механизмы оптической генерации носителей заряда в пленках ncSi/a-Si:H,позволяющиеобъяснитьнаблюдаемыеспектральныезависимостикоэффициента поглощения в них.
Выявлено, что при объемной доле кристаллическойфазы менее ~50 % спектральные зависимости коэффициента поглощения nc-Si/a-Si:Hимеют вид характерный для аморфного гидрированного кремния. Это указывает на то,что процессы генерации неравновесных носителей заряда в таких пленках определяютсяглавным образом аморфной матрицей. Увеличение объемной доли кристаллическойфазы в матрице a-Si:H до 50% приводит к возрастанию коэффициента поглощения вобласти энергий кванта hν<1.2 эВ, что может быть связано с образованиемдополнительных дефектов типа «оборванных» связей.
В пленках nc-Si/a-Si:H с большойобъемной долей кристаллической фазы (более 80 %) характер спектральнойзависимости коэффициента поглощения близок к аналогичной зависимости для c-Si ипрактически не зависит от уровня легирования. Оптическая ширина запрещенной зонытакой системы, полученная из анализа спектральной зависимости коэффициентапоглощения в области hν>1.2 эВ, равна 1.12 эВ, что соответствует ширине запрещеннойзоны с-Si.
Коэффициент поглощения в области hν<1.2 эВ определяется состояниямидефектов, основная часть которых находится на границах колонн нанокристаллов.2. Методом ЭПР спектроскопии в пленках nc-Si/a-Si:H с малой объемной долейкристаллической фазы (примерно 10 %) обнаружен сигнал, приписываемый электронам,захваченным в хвост зоны проводимости. Обнаруженное кардинальное изменениеспектров ЭПР при введении небольшой доли кремниевых нанокристаллов в аморфнуюматрицу, делает ЭПР-спектроскопию уникальным инструментом экспресс-анализаналичия нанокристаллов в наномодифицированных образцах аморфного кремния.2673.
Предложена модель переноса носителей заряда в пленках nc-Si/a-Si:H. В случаепленок nc-Si/a-Si:H с большой объемной долей кристаллической фазы (более 80 %)носители заряда движутся по делокализованным состояним колонн нанокристаллов,преодолевая потенциальные барьеры на границах колонн.
Энергия активации темновойпроводимости пленок nc-Si/a-Si:H определяется положением уровня Ферми и высотойпотенциальных барьеров на границах колонн нанокристаллов. С уменьшением доликристаллической фазы пропадает перколяционный путь, формируемый кремниевыминанокристаллами, и перенос носителей заряда происходит по аморфной фазе. При этомнаблюдается резкое уменьшение проводимости. Установлено, что значение объемнойдоликристаллическойфазывпленкахnc-Si/a-Si:H,прикоторойвозникаетперколяционный путь из кремниевых нанокристаллов, сильно зависит от метода иусловий получения пленок.4.
Разработана модель рекомбинации неравновесных носителей заряда в пленкахnc-Si/a-Si:H. Показано, что в области температур T<210-230 К для пленок nc-Si/a-Si:H сбольшой объемной долей кристаллической фазы (более 80 %) имеет место туннельныймеханизм рекомбинации неравновесных носителей заряда через состояния на границахнанокристаллов. С увеличением температуры рекомбинация также происходит черезсостояния на границах колонн нанокристаллов, но при этом не носит туннельногохарактера.Изменениефотопроводимостиприварьированииобъемнойдоликристаллической фазы в структурах nc-Si/a-Si:H имеет немонотонный характер иопределяется изменением подвижности и времени жизни носителей заряда, однако прилюбой объемной доле кристаллической фазы основными рекомбинационными центрамивыступают оборванные связи на границах нанокристаллов с аморфной фазой и порами.5.
Обнаружено увеличение проводимости и фотопроводимости пленок nc-Si/aSi:H p-типа, содержащих большую объемную долю кристаллической фазы (более 80 %),при их освещении в атмосфере сухого воздуха. Установлено, что уменьшение давленияостаточных газов в камере приводит к уменьшению наблюдаемых эффектов, и приосвещении пленок в вакууме (Р=10-3 Па) указанные эффекты пропадают. Полученные268результаты объясняются влиянием адсорбированного на границах нанокристаллов ивнешней поверхности пленки nc-Si/a-Si:H кислорода.6.
Предложена модель переноса носителей заряда в структурах Au – nc-Si/SiO2 –с-Si. Показано, что на границе подложки с-Si с оксидной матрицей существуетпотенциальный барьер для электронов, которым определяется проводимость структур смалым количеством слоев nc-Si/SiO2. При увеличении числа слоев нанокристаллов иSiO2 значительно возрастает сопротивление области nc-Si/SiO2 и проводимостьконтролируется, в основном, данной областью, при этом в области низких температурэлектронный транспорт осуществляется путем последовательных прыжков междусоседними кремниевыми нанокристаллами, а с повышением температуры вклад впроводимость начинает давать перенос носителей заряда по локализованнымсостояниям в SiO2.7.
Обнаружено, что анизотропия формы ансамблей кремниевых нанокристаллов вслоях пористого кремния приводит к анизотропии его проводимости. Проводимостьслоев пористого кремния вдоль кристаллографического направления [ 1 1 0 ] (вдолькотороговытянутыкристаллографическогонанокристаллы)направления[001].существенноЭнергиявыше,активациичемвдольтемпературнойзависимости проводимости для направления [ 1 1 0 ] меньше, чем для направления [001].Методом импеданс-спектроскопии обнаружено, что отношение значений проводимостивдоль кристаллографических направлений [ 1 1 0 ] и [001] уменьшается с увеличениемчастоты переменного сигнала, однако, остаётся достаточно большим (>>1) даже причастотах ~10 МГц.
Предложена эквивалентная схема исследованных структур,позволяющая объяснить наблюдаемые частотные зависимости проводимости слоеванизотропного пористого кремния. Разработана модель переноса носителей заряда ванизотропном ПК, позволяющая объяснить наблюдаемую анизотропию проводимости.8. Показано, что механизм рекомбинации неравновесных носителей заряда в ПК санизотропией формы нанокристаллов, носит туннельный характер (вплоть докомнатных температур), а основными рекомбинационными центрами являются269состояния на границах нанокристаллов.
Обнаружено, что фотопроводимость ансамблейкремниевых нанокристаллов в слоях пористого кремния вдоль кристаллографическогонаправления [ 1 1 0 ] (вдоль которого вытянуты нанокристаллы) существенно выше, чемвдоль кристаллографического направления [001]. Приведено объяснение наблюдаемойанизотропии фотопроводимости в анизотропном ПК.9. Благодаря совместному измерению концентрации свободных носителей зарядаиз ИК-спектров пропускания и проводимости ПК получена величина подвижностиосновных носителей заряда в данном материале. Установлено, что изменениеповерхностного покрытия нанокристаллов в ПК за счет адсорбции активных молекул,приводит к значительному изменению как концентрации носителей заряда, так и ихподвижности.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
