Управление концентрацией свободных носителей заряда в кремниевой наноструктуре (1102938), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Данный факт может быть обусловлен как ростомконцентрации свободных электронов (основных носителей заряда), так и дырок(неосновных носителей заряда) в исследуемых образцах. Обсудим, какойпроцесс является наиболее вероятным. Как уже отмечалось выше, молекулы I2проявляют свойства акцепторов при адсорбции на поверхности кремния. Тогдаможно предположить, что в атмосфере йода происходит образование мелкихакцепторных состояний I2- на поверхности nc-Si. Это, в свою очередь, приводитк компенсации исходной примеси в образцах и инвертированию в нихэлектронного типа проводимости на дырочный. Для исходных образцовконцентрация свободных электронов в вакууме составляет N = 5·1017 см-3.
Послеадсорбции молекул I2, которая, согласно представленной гипотезе, приводит кизменению типа основных носителей заряда, концентрация теперь ужесвободных дырок составляет N = 3·1018 см-3. Последующее вакуумированиеприводит к уменьшению концентрации свободных дырок до величиныN = 1·1018 см-3. Как видно из приведенных данных, для слоев мезо-ПК n-типаизменение концентрации снз является лишь частично обратимым в цикленапуск молекул адсорбата - последующее вакуумирование. Кроме того, послеадсорбции молекул I2 уменьшается поглощение на валентных колебаниях Si-Hx(x=1,2,3) и происходит смещение данной полосы поглощения в область большихчастот (рис.3). Также необратимо уменьшается полоса поглощения наножничных колебаниях Si-H2 (рис.3).
Указанные вариации полос поглощения,обусловленных Si-Hx связями, можно объяснить частичным замещением Si-Hсвязей на поверхности образцов на Si-I связи. Образование Si-I связей является1212α, см-1600отличительнойчертойадсорбцииI2молекулнаповерхности nc-Si n-типа по400сравнениюсnc-SiДействительно,200вp-типа.пределахчувствительностиметода0880920200021002200ν, см-1600Ана ножничных Si-H2 и валентных Si-Hx связяхдляисходныхР = 10-5Торроткачкеобразцов(кр.1)вивакуумеIIIприР = 10-5ввакуумепоследующейТоррα, см-1Рисунок 3 Фрагменты спектров поглощения1400200послевариацииполос0поглощения,1000обусловленных Si-H связями, в nc-Si pтипа не зафиксированы.
По-видимому,(илизахваченныхэлектроноввнадефектах)nc-Sin-типа.2000ν, см-1Б21300α, см-1это обусловлено наличием свободных32адсорбции молекул I2 (кр. 2)200100Действительно, большое сродство кэлектронуболеемолекулэффективноеI2обеспечиваетвзаимодействие01000Рисунок4ν,см-1Спектры2000коэффициентамолекул I2 с поверхностью nc-Si n-поглощения образцов I (а) и II (б),типа, в то время как для nc-Si p-типаизмеренныеадсорбция протекает преимущественновакуум P=10-5 Торр (1), в атмосферена дефектах.молекул сухого аммиакаВглаве4рассматриваетсявлияние адсорбции молекул аммиака13вследующихусловиях:PNH3 =50 Торр (2)и после откачки в вакууме P=10-5 Торр втечение 1.5 часа (3).на электронные и оптические свойства кремниевых наноструктур p- и n-типапроводимости.
На рисунке 4 представлены спектры коэффициента поглощенияα(ν) слоев ПК I (а) и II (б) в вакууме P= 10-5 Торр (1), при адсорбции молекулсухого аммиакаPNH 3 = 50 Торр (2), после 1.5 часов откачки в вакуумеА2g=1.99871geff=2.0055328032903300Интенсивность сигнала ЭПР, отн. ед.Интенсивность сигнала ЭПР, отн. ед.P = 10-5 Торр.33103320Магнитное поле, ГсБ12g=1.9987geff=2.005533403360Магнитное поле, Гс3380Рисунок 5 Спектры ЭПР образцов II (а) III (б) измеренные при температуре T=77 К вследующих условиях: в вакууме 10-5 Торр (1); в атмосфере молекул сухого аммиака приPNH 3 = 50 Торр (2).Отметим, что для образцов I в вакууме наряду с поглощением наповерхностных связях фиксировалось поглощение на снз.
Было установлено,что адсорбция молекул сухого аммиака на поверхности образцов I приводила кобратимому уменьшению величины поглощения на снз по сравнению сосвежеприготовленным образцом (кривые 1 и 2 на рис. 4). Для образцов IIвеличина поглощения на снз была неизменной в интервале исследуемыхдавлений PNH . Было установлено, что адсорбция молекул сухого аммиака на3поверхности образцов III не приводит к изменению спектра коэффициентапоглощения исследуемых слоев.
На рисунке 5 показаны спектры ЭПРсвежеприготовленных образцов II и III измеренные при температуре Т=77 К.Рассчитанная величина geff = 2.0055±0.0005 исходных образцов ПК и ватмосфере молекул аммиака указывает на то, что регистрируемые дефекты14представляют собой Pb- центры. Адсорбция молекул сухого аммиакапрактически не меняет концентрацию исходных дефектов. Отметим, что вспектрах ЭПР образцов I и II (Рис.5, а) в атмосфере сухого аммиака сигнал ЭПРс g фактором 1.9987±0.0005, обусловленный свободными электронами в зонепроводимости ПК, не наблюдается.
Для образцов III (Рис.5, б) в спектренаблюдаетсяслаборазрешеннаялиниясg-фактором1.9987±0.0005,соответствующая свободным электронам в зоне проводимости ПК. В таблице 3представлены концентрации свободных носителей, плотности дефектов исвободных электронов в образцах ПК I, II, III.Таблица 3 Значения концентрации свободных носителей, плотности дефектов и свободныхэлектронов в образцах ПК I, II, III.ОбразецКонцентрацияПлотность дефектовКонцентрация свободныхсвободных носителейNs, см-3электронов Nэ, см-3N, см-3ИсходнаяВИсходнаяВИсходнаяВатмосфереатмосфереатмосферемолекулмолекулмолекулсухогосухогосухогоаммиакааммиакааммиакаPNH3 =PNH3 =PNH3 =50 Торр50 Торр50 ТоррI2·10181·10171·10171·1017--II3·10171·10171·10171·1017--III2·10172·10171·10171·10171·10171·1017В разделе 4.2 рассматривается влияние адсорбции молекул влажного аммиака,являющегося донором электронов, на концентрацию снз и спиновых центров вмезо-ПК.
Было установлено, что для образцов I (Рис.6) адсорбция паровмолекул аммиака приводила к немонотонной зависимости величины α(ν). Придавлении PNH3 = 2 Торр фиксируется уменьшение поглощения на снз, а приPNH3 = 20 Торр коэффициент поглощения резко возрастает. В случае образцов II151200адсорбция при малых давлениях паровα,см-1аммиака не приводила к изменению800поглощения4003PNH3 = 20 Торр1величины α.500Рисунок1000принаблюдалсяростСпектрыобразцов I и II появляются полосыкоэффициентапоглощения,поглощения α образцов I, измеренные приPNH 3 =2Торрколебаниямисм-1).(ν = 1050-1100(1), при адсорбции молекул аммиака из 20%раствораобусловленныевалентнымиследующих условиях: в вакууме P=10-5 Торрводногоадавления паров аммиака в спектрах1500ν,см-16снз,Следует отметить, что с ростом20наэксперименты(2),Si-O-SiПроведенныепоказали,чтопоглощение на снз обратимо в циклахPNH 3 = 20 Торр (3).откачка.Интенсивность сигнала ЭПР, отн.
ед.напуск молекул при PNH3 < 2 Торр –Последующеевакуумирование молекул аммиака приPNH3 > 10 Торрдавленияхприводилокисходнойвеличиныневосстановлениюкоэффициентапоглощения α.На рис. 7 представлены спектрыЭПРобразцовIприсигналфакторомобусловленныйЭПРсg2geff=2.0055различныхусловиях. В атмосфере аммиака былзафиксирован1g=1.9987328033003320Магнитное поле, ГсРисунок7измеренныеСпектрыприЭПРтемпературеобразцовI,T=77вК1.9987±0.0005,следующих условиях: в вакууме 10-5 Торр (1); всвободнымиатмосфере молекул аммиака, полученных изэлектронами в зоне проводимости,20% водного раствора причто подтверждает16PNH3 =20 Торр (2).Интенсивность сигнала ЭПР, отн.
ед.наше предположение о том, что при2адсорбцииg=1.9987молекуламмиакаспарами воды происходит инжекция3электронов в зону проводимостимезо-ПК. Было установлено, чтоgeff=2.00553320адсорбция аммиака не приводила к1334033603380существенному3400изменениюконцентрации Pb- центров во всемМагнитное поле, ГсIII,интервале исследуемых давлений,измеренные при температуре T=77 К ввеличина Nэ составляла 1017 см-3. ВРисунок8СпектрыЭПРобразцовследующих условиях: в вакууме 10-5 Торр (1);ватмосферемолекуламмиакаприPNH3 = 20 Торр (2) и при последующей откачке-5в вакууме до Р = 10 Торр.случаемолекулобразцоваммиакаIIIадсорбцияизводногораствора приводила к росту сигналаот свободных электронов в зонепроводимости (рис.8). Данный эффект был необратим в цикле напуск молекуламмиака PNH3 = 20 Торр – последующая откачка.
Адсорбция молекул влажногоаммиака приводила к монотонному росту коэффициента поглощения α(ν) наснз во всем интервале исследуемых давлений. В таблице 4 представленызначения концентраций свободных носителей в образцах мезо-ПК приразличных давлениях влажного аммиака.Таблица 4 Значения концентраций свободных носителей в образцах I, II, III и при различныхдавлениях влажного аммиака по данным ИК-спектроскопии.Концентрация свободных носителей N, см-3ОбразецИсходнаяВ атмосфере молекулВ атмосфере молекуламмиака приаммиака приPNH3 = 2 ТоррPNH3 = 20 ТоррI1·10183·10171·1018II1·10171·10171·1018III1·10173·10172·101817Для образцов III максимальные концентрации свободных электронов приадсорбции молекул аммиака, рассчитанные по спектрам ЭПР, составляли1·1018 см-3, что согласуется по порядку величины с концентрациями снз,полученными из анализа ИК-спектров. Отметим, что рассчитанные по спектрамЭПР значения максимальных концентрации свободных электронов дляобразцов I и II при адсорбции молекул аммиака, полученных из водногораствора, составляли 1017 см-3, что существенно меньше концентрации снз,рассчитанной по спектрам коэффициента поглощения α(ν).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
