Управление концентрацией свободных носителей заряда в кремниевой наноструктуре (1102938), страница 2
Текст из файла (страница 2)
В разделе 1.2приведенобзорработ,связанныхсизучениемхимическогосоставаповерхности nc-Si методом ИК-спектроскопии. Также проводится анализданных ЭПР спектроскопии ПК. На основании изложенного материала сделанвывод о том, что поверхность свежеприготовленных пленок ПК покрытапреимущественно водородом, а основным типом парамагнитных дефектов в ПК(как в свежеприготовленном, так и в окисленном) являются оборванные связикремния на границе раздела Si / SiO2 , так называемые Pb-центры. Представленатаблица, в которой указаны основные полосы поглощения ИК излучения в ПК.5В следующей таблице собрана информация о различных видах Pb-центров вПК, а именно: указаны параметры сигналов ЭПР, приведена структураобсуждаемых дефектов.В разделе 1.3 анализируются оптические свойства пленок ПК.Рассматриваютсяработы,вкоторыхпредставленырезультатыэкспериментальных исследований, посвященных изучению диэлектрическойпроницаемости ε, показателя преломления n и коэффициента поглощения αслоев nc-Si, а также их сравнение с аналогичными величинами для c-Si.Раздел 1.4 посвящен обоснованию выбора модели Бруггемана (приближениеэффективной среды) для описания величины εeff мезо-ПК.
В Разделе 1.5представлены результаты исследования равновесных снз в нанокристаллахмезо-ПК. Описаны способы расчета концентрации снз в ПК, базирующиеся наанализе положения плазменного минимума в спектре ИК отражения сиспользованием классической модели Друде. Отмечается, что концентрацияснз может достигать величин 1016–1018 см-3 и является весьма чувствительной кдиэлектрическому окружению nc-Si.В разделе 1.6 представлены данные по влиянию адсорбции активныхмолекул на электронные и оптические свойства мезо-ПК. Рассматриваетсявозможность управления концентрацией снз в nc-Si посредством изменения ихповерхностного покрытия в процессе адсорбции активных молекул.В заключении данной главы в разделе 1.7 сформулированы выводы изобзора литературы и поставлены задачи исследования.Во второй главе приведены данные об исследованных в работе образцах,описаныметодики,спомощьюкоторыхпроводилисьэксперименты.Представлены способы получения и очистки адсорбатов.
Раздел 2.1 посвященметодике приготовления образцов. Слои мезо-ПК формировались на пластинахмонокристаллического кремния c-Si:B (100) p– и c-Si:As (100) n–типапроводимости путем электрохимического травления в растворе плавиковойкислоты и этанола HF(48%):C2H5OH, взятых в пропорции 1:1, при различных6плотностях тока j. Толщины образцов контролировались с помощьюоптического микроскопа.
Пористость полученных образцов определяласьгравиметрическим методом. Удельная поверхность образцов была определенапо адсорбционным данным (по теории БЭТ) в институте металлургии иматериаловедения им. А.А. Байкова. В таблице 1 представлен переченьпараметров приготовления, интегральные характеристики и используемые вработе обозначения образцов мезо-ПК.Таблица1Переченьпараметровприготовления,интегральныехарактеристикииобозначения образцов ПК.ТипУдельноеПлотностьВремяПористостьУдельнаяподложкисопротивлениетокатравления,образца, %поверхность,подложки, Ом⋅смтравления,минОбразецм2/гмА/см2КДБ0.003-0.006(100)КДБ0.010-0.020(100)КЭМ(100)0.001-0.005203568300502050325802060440IIIIIIДалее (раздел 2.2) обсуждаются способы получения и очисткиадсорбатов.
Газообразный аммиак (NH3) был получен из его водного растворапутем двойной перегонки с осушением, также использовался 20% водныйраствор NH3. В экспериментах использовался йод (I2) (99,9%) марки ОСЧ. Вразделе 2.3 описаны экспериментальные установки и приборы, использованныев работе. Измерение спектров пропускания инфракрасного излучения образцовПК осуществлялось с использованием ИК-спектрометра с обратным Фурье –преобразованием Bruker IFS 66v/S в спектральном диапазоне 6000 - 400 см-1 иразрешением 2 см-1.
Для адсорбционных измерений использовалась вакуумнаяИК-ячейка, в которую помещались исследуемые образцы мезо-ПК. Измеренияспектров ЭПР исследуемых образцов проводились на спектрометре BRUKER7ELEXSYS 500 (рабочая частота 9,5 ГГц - X-диапазон, чувствительность5⋅1010 спин/Гс). В разделе 2.4 описан метод расчета концентрации снз в слояхмезо-ПК.Третья глава посвящена исследованию влияния адсорбции молекул йода,являющихся акцепторами электронов, на электронные и оптические свойствакремниевых наноструктур p- и n-типа проводимости.
В разделе 3.1 приведенырезультаты экспериментов по изучению влияния адсорбции молекул I2 наконцентрацию снз и спиновых центров в мезо-ПК p-типа проводимости(образцы I и II). На рисунке 11000представленыАα, см-1800коэффициентов6002400атмосфере молекул йода и при101000последующем вакуумировании.20003000ν , см -14000В спектрах свежеприготовленных образцов, измеренных вБ800вакууме,(рис.1(кр.1))наблюдаются4002валентных010001ν , см -12000Спектрыпоглощенияобразцовизмеренныевполосы,приписываемые поглощению на1,3Рисунокпоглощенияα(ν) образцов I и II в вакууме, в3200α, см-1спектрыIследующихSi-Hx(x=1,2,3) (ν = 2050-2170 см-1), накоэффициента(а)колебанияхиIIусловиях:(б),вножничных колебаниях Si-H2(ν = 910 см-1)идеформационныхколебанияхнавакууме Р = 10-5 Торр (1), в атмосфереSi-Hx(x=1,2,3)молекул йода P I 2 = 10-1 Торр (2) и при(ν = 600-760 см-1).Наличиепоследующемданных полос свидетельствует овакуумированиидо-5Р = 10 Торр (3).водородномпокрытииповерхности nc-Si.
Наряду с поглощением на поверхностных связях, в спектре8образца I наблюдается монотонное возрастание величины α с уменьшениемволнового числа, обусловленное поглощением ИК излучения снз. Послеадсорбции молекул I2 происходит значительный рост величины α(ν) для обеихсерий образцов (рис.1, кр.2). Последующее вакуумирование приводит кпрактически полному восстановлению исходного спектра (рис.1, кр.3). Дляобразцов II наряду с ростом величины α(ν), было зафиксировано появлениеновых полос поглощения на частотах 810 см-1, 1080 см-1 и 1260 см-1 (указаныстрелками на рис.1(б)), которые практически полностью исчезали припоследующем вакуумировании образца до 10-5 Торр (рис.1(б), кр.3).
Повторныйнапуск молекул I2 в ячейку с ПК вновь приводил к появлению полоспоглощения на указанных частотах. Следует отметить, что изолированные(невзаимодействующие с поверхностью твердого тела) молекулы I2 не активныв ИК-диапазоне, поскольку имеют нулевой дипольный электрический момент.Появление новых полос в ИК-спектре в атмосфере молекул I2 позволяетпредположить, что адсорбированные на поверхности nc-Si молекулы адсорбатавзаимодействуют с кристаллическим полем решетки.
В результате в молекулахI2 происходит перераспределение электронной плотности и, соответственно,возникает индуцированный дипольный электрический момент, что в своюочередь обусловливает появление указанных полос поглощения ИК-излученияадсорбированными молекулами. Таким образом, можно предположить, чтонаблюдаемыеполосыпоглощенияобусловленыадсорбированныминаповерхности nc-Si молекулами I2.Для контроля концентрации дефектов и выяснения их роли в процессевзаимодействия молекул I2 с поверхностью nc-Si были измерены спектры ЭПРисследуемых образцов. Характерная структура спектра и рассчитанная величинаgeff = 2.0055±0.0005свидетельствуютотом,чтодетектируемыйсигналобусловлен Pb- центрами.
Адсорбция молекул I2 приводила к уменьшениюинтенсивности сигнала ЭПР. Последующая откачка в вакууме не приводила кполному восстановлению сигнала. Была рассчитана концентрация дефектов вобразцах ПК, которая составляла 1017 см-3.9В пункте 3.2 приводятся данные по взаимодействию молекул йода споверхностью слоев мезо-ПК n-типа проводимости (образцы III). Исходныеслои ПК в вакууме характеризуются преимущественно водородным покрытиемповерхности, как и образцы p-типа I и II. Как и в случае образцов I и II,приводиламолекулкI2появлениюИнтенсивность сигнала ЭПР, отн.
ед.адсорбцияновых линий поглощенияна810 см-1,частотах1080 см-1 и 1260 см-1 (закоторыеответственныадсорбированныенаповерхностиnc-Siмолекулы I2) , а также кувеличениюИКпоглощенияизлученияна21,33420снз.3440Магнитное поле, Гс3460Однако для слоев мезо-ПКРисунок 2 Спектры ЭПР образцов III измеренные вn-типаизменениеследующих условиях: в вакууме 10-5 Торр (1); вконцентрации cнз являлосьатмосфере молекул аммиака при P I 2 =10-1 Торр (2)лишь частично обратимымив цикле напуск молекулприпоследующемвакуумированиидоР = 10-5 Торр.адсорбата-последующее вакуумирование. По спектрам ЭПР (рис.
2) былорассчитано, что число детектируемых Pb-центров в образцах III составляло1018 см-3. Таким образом, адсорбция молекул йода не приводила к заметномудефектообразованиюнаповерхностиnc-Si,анаблюдаемыевариацииинтенсивности сигнала ЭПР можно объяснить перезарядкой исходных Pbцентров.В разделе 3.3 на основе анализа экспериментальных данных предложенамодельвзаимодействиямолекулйодасповерхностьюкремниевыхнаноструктур.
В таблице 2 приведены рассчитанные из спектров коэффициента10поглощения α(ν) концентрации снз в образцах мезо-ПК I, II, III в вакууме и ватмосфере молекул йода.Таблица 2 Значения концентрации свободных носителей в образцах мезо-ПК I, II, III ввакууме и в атмосфере молекул йода.Образец Концентрация свободных носителей N , см-3Исходная,в атмосфере молекулПри откачке в вакуумев вакуумейода P I 2 =10-1 ТоррР = 10-5 Торр.I5·10175·10187·1017II1·10172·10181·1017III2·10173·10181·1018Видно, что при адсорбции молекул I2 происходит рост концентрации снз вnc-Si образцов I и II. Однако концентрация снз в атмосфере молекул йода непревышает уровень легирования исходной подложки (для образца I, II Nснз вподложке составляет 5·1019 см-3 и 5·1018 см-3, соответственно). Известно, чтомолекулы йода при адсорбции на поверхность кремния образуют комплекс сдонорно-акцепторной связью I-δSi+δ .
Увеличение концентрации свободныхдырок может быть объяснено образованием анионов I2− на поверхностинанокристаллов ПК. Такие адсорбционные комплексы с переносом зарядамогут выполнять функции легирующей примеси. Этому соответствуетпоявление соответствующих акцепторных уровней в запрещенной зоне nc-Si.Данные уровни, по-видимому, являются достаточно глубокими, т.е. не могутсами по себе обеспечить появление свободных дырок в ПК при комнатнойтемпературе. Однако, ввиду малых размеров нанокристаллов возможнокулоновское взаимодействие между адсорбированными молекулами I2 и Pbцентрами, которое приводит к возникновению донорно-акцепторных пар(Pb+-I2−).
Образование подобных пар вызывает рост концентрации свободныхдырок ввиду “пассивации” Pb- центров, которые, будучи положительно11заряженными, перестают быть центрами захвата дырок. В результате,появление снз может быть описано следующим уравнением реакции:++−Pb + I 2 → Pb 0 + I 2 + h + → ( Pb − I 2 ) + h + ,т.е.вобъемnc-Siвыбрасываютсясвободные дырки. При этом в nc-Si концентрация свободных дырокопределяется уровнем легирования бором и степенью пассивации исходных Pbцентров адсорбированными молекулами.Для образцов III адсорбция молекул йода также приводит к ростуконцентрации снз.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
