Перенос носителей заряда в слоях пористого кремния с различной формой и поверхностным покрытием нанокристаллов (1104413), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Это указывает на возможность использования эффекта анизотропииэлектропроводности в быстродействующих приборах.Как и в случае проводимости, существует значительная анизотропия ёмкостидля кристаллографических направлений [1 1 0] и [001]. Однако в отличие отэлектропроводности наблюдается немонотонное изменение анизотропии ёмкости счастотой переменного сигнала. При частотах порядка 105 Гц анизотропия емкостидостигает максимального значения, а при меньших и больших значениях онасущественно уменьшается.
Возникновение значительной анизотропии емкости вобласти средних частот может быть связано с немонотонной зависимостью временижизни неосновных носителей заряда от частоты.Четвертая глава посвящена исследованию влияния поверхностного покрытиякремниевых нанокристаллов на перенос носителей заряда в мезо-ПК. Раздел 4.1посвящен изучению влияния адсорбции активных молекул на электропроводность иподвижность СНЗ в мезо-ПК p- и n-типа (Образцы II и III).В пункте 4.1.1 описан метод расчета концентрации СНЗ из ИК-спектровпропускания.
На рис. 3, в качестве примера, показаны типичные спектры пропусканияT(ν) для слоев ПК p-типа (образец II), полученные в вакууме (кривая 1) и в случаеадсорбции йода при различных давлениях (кривые 2 и 3). Монотонное уменьшениепропускания обусловлено поглощением ИК излучения на свободных носителяхзаряда. Видно, что при адсорбции молекул I2 наклон монотонной составляющей15зависимости T(ν) увеличивается, что говорит об увеличении концентрации свободныхносителей заряда. Спектральные зависимости коэффициента пропускания, имеющиеаналогичные монотонные составляющие, были получены и при адсорбции молекулNH3 на образцы ПК n-типа1001(образец III).80Характер поглощения вмонотоннойсоставляющейпропусканияспектрадляT, %области2быть34020исследованных образцов ПКможет6001000описан20003000классической моделью Друдевусловияхрассеивания.
В этом случае изспектровможноконцентрациюν, смслабогооценитьсвободныхносителей заряда в образцахРис. 3.Типичныеспектры40005000-1пропусканиядляобразцов ПК p-типа в вакууме (1) и приадсорбции молекул I2 при давлении P=0.03 Торр.(2) и при давлении P=0.13 Торр. (3).по методу, описанному в работе [10].В пункте 4.1.2 приведены данные по влиянию адсорбции активных молекул наэлектропроводность мезо-ПК. Показаны зависимости удельной электропроводностиσh и σe для ПК p- и n-типа соответственно, от рассчитанной из спектров ИКпоглощения концентрации свободных дырок Nh и электронов Ne. Обнаружено, чтовеличинаэлектропроводностирезко(сильнее,чемлинейнаязависимость)увеличивается с ростом концентрации свободных носителей заряда.
Последнеесвидетельствует об изменении в результате адсорбции не только концентрациисвободных носителей заряда, но и их подвижности.В пункте 4.1.3 из полученных выше значений электропроводности иконцентрации СНЗ рассчитаны значения подвижности по проводимости свободныхносителей заряда в образцах II и III. Зависимости подвижности от концентрациисвободных дырок и электронов для образцов ПК p- и n-типа представлены на рис. 4(А, Б).
Величина подвижности дырок в исследованных образцах ПК p-типа в вакууме16составляет µp≈2.9⋅10-3 см2/В⋅с. Для образцов n-типа величина подвижностиэлектронов получилась равной µe≈1.1⋅10-2 см2/В⋅с.Из рис. 4 видно, что подвижность носителей заряда значительно возрастает врезультате адсорбции.
Величина подвижности, в случае наличия потенциальныхбарьеров на границах нанокристаллов, должна зависеть от высоты данныхпотенциальных барьеров. При адсорбции активных молекул высота потенциальныхбарьеров может изменяться за счет перезарядки поверхностных состояний. В случаеуменьшения высоты потенциальных барьеров подвижность будет возрастать, иприводить к нелинейной зависимости электропроводности от концентрациисвободных носителей заряда.-110-210-3БА1010-110-210-3101710181019101610171018µe, см2В-1с-1µh, см2В-1с-11N e , см -3N h , см -3Рис. 4. Зависимости величины микроскопической подвижности от концентрациисвободных носителей заряда, определяемой из спектров пропускания, для образцовПК p-типа (А) и n-типа (Б).Впункте4.1.4проведеносравнениетемпературныхзависимостейэлектропроводности до и после адсорбции активных молекул.
Показано, чтотемпературныезависимостиактивационныйхарактер.электропроводностиЭнергииактивациивобоихслучаяхтемпературныхимеютзависимостейэлектропроводности до и после адсорбции различаются незначительно. Для ПК pтипа они составляют значения Ea=0.22 эВ и Ea=0.17 эВ до и после адсорбции,соответственно. Для образцов n-типа в вакууме Ea=0.31 эВ, а после адсорбции Ea=0.25эВ. Изменение энергии активации может происходить за счет смещения уровняФерми к краям зон при увеличении концентрации свободных носителей заряда и за17счет изменениявысотыпотенциальныхбарьеров награницахкремниевыхнанокристаллов. Тот факт, что в результате адсорбции характер температурнойзависимости электропроводности не изменяется, указывает на наличие одного и тогоже механизма проводимости до и после адсорбции.В разделе 4.2 показаны результаты исследования влияния кратковременноготермического окисления на электропроводность и фотопроводимость мезо-ПК p-типа(образцы II и IV).В пункте 4.2.1 исследования проводились на изотропных образцах мезо-ПК(образец II) с использованием двух конфигураций металлических контактов:планарной (контакты напылялись на поверхность образца) и типа “cэндвич” (одинконтакт напылялся на поверхность образца, а вторым служила подложка).Температурные зависимости электропроводности данных образцов имеютактивационных характер.
При этом всвежеприготовленныхобразцахэлектропроводность слабо зависитравнаэнергияэВ0.004дляструктуры типа “сэндвич” и 0.06 эВдляобразцоврасположениемрезультатеспланарнымконтактов.термическогопроисходитВотжигазначительноеуменьшениевеличиныэлектропроводности и увеличениеэнергииактивации.Нарис.5представлен график температурныхзависимостейпроводимостейсвежеприготовленных образцов иобразцов,-1активацииа-1температуры,σ, Ом смот1 1-1102-210-310-4310-510 4-610-710-810-9102,6отожженныхпри2,83,03,23,43,63,8-11000/T, КРис. 5.Температурныезависимостипроводимости.1–«свежеприготовленный»образец, контакт типа «сэндвич»; 2 –«свежеприготовленный» образец, планарныйконтакт; 3 - образец, отожженный при 450°С, контакт типа «сэндвич», 4 – образец,отожженный при 450 °С, планарный контакт.максимальной температуре.При отжиге значения проводимости как вдоль, так и перпендикулярноповерхности образца существенно уменьшаются, а анизотропия электропроводности18значительно увеличивается.
Увеличение анизотропии электропроводности можнообъяснить только различным изменением подвижности носителей заряда вдольисследованных направлений. Поскольку, как было установлено гравиметрическимметодом, пористость изотропных образцов довольно высока, ~75 %, то в результатеокислениянаграницахпрактическивсехнанокристалловформируютсякислородосодержащие комплексы. Известно, что при окислении ПК уменьшаетсяконцентрация свободных дырок за счет захвата их на поверхностные состояния награницах нанокристаллов. В результате этого увеличивается положительный заряд наповерхности нанокристаллов, что приводит к увеличению потенциальных барьеровдля дырок. В связи с этим подвижность дырок заметно падает.В пункте 4.2.2 приведены результаты исследования влияния термическогоотжига на электропроводностьи фотопроводимость слоев ПК, обладающиханизотропией формы нанокристаллов в плоскости поверхности слоя (образец IV).Были выполнены исследования элекропроводности и фотопроводимости вдолькристаллографическихнаправленийобразцах«свежеприготовленных»[1 1 0 ]и[001].анизотропияОбнаружено,чтоэлектропроводностинаифотопроводимости практически отсутствует.
Однако, при окислении образца притемпературе T=150оС проводимость вдоль направления [ 1 1 0 ] заметно превышаетпроводимость вдоль направления [001]. Аналогичный эффект наблюдается дляфотопроводимости. Это указывает на определяющую роль потенциальных барьеров впереносеносителейзаряданаокисленныхобразцахПК.Анизотропияэлектропроводности, как и анизотропия фотопроводимости, для данных образцов нетак явно выражена, как для образцов I, поскольку их пористость составляет всего50 %.
При дальнейшем окислении образцов анизотропия электропроводности ифотопроводимости уменьшается. По-видимому, это связано с началом формированияоксидной пленки на поверхности нанокристаллов.В заключении сформулированы основные выводы диссертационной работы.ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИИВдиссертационнойработеисследовановлияниеформыкремниевыхнанокристаллов и их поверхностного состояния на перенос носителей заряда в слояхмезопористого кремния.
Были получены следующие основные результаты:191.Обнаружено,чтоэлектропроводностькристаллографическогонанокристаллы)направлениясущественнослоев[1 1 0 ]выше,чеманизотропногокоторого(вдольвдольПКвдольвытянутыкристаллографическогонаправления [001] (анизотропия электропроводности). Энергия активациитемпературной зависимости электропроводности для направления [ 1 1 0 ] меньше,чем для направления [001].
Предположено, что перенос носителей заряда висследованных образцах ПК (с размером нанокристаллов 10-100 нм) происходитподелокализованнымактивациисостояниямэлектропроводностикремниевыхнанокристаллов.определяется положениемЭнергияуровняФермиотносительно края соответствующей зоны (валентной или проводимости) ивысотой потенциальных барьеров на границах кремниевых нанокристаллов.Анизотропия электропроводности связана с различным числом и различнойвысотой потенциальных барьеров вдоль исследованных кристаллографическихнаправлений.2.Исследованы фотоэлектрические свойства анизотропного ПК. Показано, чтомеханизм рекомбинации неравновесных носителей заряда носит туннельныйхарактер, а основными рекомбинационными центрами могут быть состояния награницахнанокристаллов.Обнаружено,чтофотопроводимостьвдолькристаллографического направления [ 1 1 0 ] существенно выше, чем вдолькристаллографического направления [001] (анизотропия фотопроводимости).Анизотропия фотопроводимости может быть объяснена аналогично анизотропииэлектропроводности.3.Методомимпеданс-спектроскопииобнаружено,чтоэлектропроводностьанизотропного ПК немонотонно зависит от частоты переменного сигнала.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
