WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

«Министерство образования РФ Ярославский государственный университет им. П.Г.Демидова На правах рукописи УДК 621.315.592 ЗИМИН Сергей Павлович Электрофизика пористого кремния и структур на его основе ...»

-- [ Страница 2 ] --

2 (2.16) Оценки, сделанные на основании формулы (2.16), свидетельствуют, что за счет непланарности барьера при R=0,8 мкм расстояние L R в 1,2-1,6 раз меньше величины L для значений L в интервале 0,5 - 3 мкм, соответственно. Величина эффективной пористости в данной модели рассчитывалась следующим образом. Предполагалось, что изгиб зон одинаков по всей толщине слоя ПК. В этом случае вокруг каждой цилиндрической поры радиусом R возникает цилиндрическая обедненная область с радиусом R+LR. Отношение P1/P тогда запишется P1/P=S1/S= (R+L R)2/ R2, (2.17) где S - площадь поперечного сечения одной поры в плоскости поверхности образца, а S1площадь поперечного сечения этой же поры с учетом обедненной области. В таблице 2.3 сведены результаты расчетов величины P1 для потенциальных барьеров различной величины, значение Na для КЭФ-4,5 принималось равным 11015 см-3. Расчет значений эффективной пористости в рамках модели искривления зон на стенках пор Табл.2.3 Номер образца 1 2 3 4 P1,% для P1,% для P1,% для P1,% для P1,% для P1,% для P2,% 23-35 45-68 71-86 71- =0,5 В 20 24 28 =1,0 В 25 30 35 =1,5 В 28 34 39 =2,0 В 31 38 44 =2,5 В 35 42 49 =3,0 В 40 48 56 Результаты таблицы показывают, что в рамках этой модели в принципе возможно достичь экспериментально наблюдаемых значений P2. Однако, имеются несколько моментов, которые не позволяют говорить о работоспособности рассматриваемой модели. Прежде всего обращают на себя внимание аномально высокие значения высот потенциальных барьеров, при которых возможно совпадение теоретических и экспериментальных значений эффективной пористости. Для кремниевой электроники теоретически рассматриваемые и реально наблюдаемые барьеры обычно не превышают 1 эВ [69, 114 и др.]. Кроме этого, отсутствуют такие значения, при которых удается согласовать теоретические и экспериментальные пористости сразу для всех измеренных образцов. Это представляется очень странным, поскольку образцы идентичны по структуре, режимам получения и отличаются только толщиной пористого слоя. Далее, при таких значительных изгибах зон у поверхности пор должен возникать ярко выраженный слой с дырочным типом проводимости, что, в свою очередь, должно приводить к явлениям заметной фотопроводимости, к появлению локальных электрических полей в ПК [119] и т.д. Однако такие эффекты полностью отсутствуют в исследуемых слоях с крупными редкими порами. Таким образом, результаты двух последних разделов свидетельствуют в пользу модели пассивации примесных атомов водородом, для которой наблюдается хорошее соответствие экспериментальных и теоретических зависимостей в случае макропористого кремния на n-Si(Р). Достоинства и недостатки применения этой модели к ПК с другой морфологией пор будут рассмотрены в дальнейшем. 2.3. Перенос носителей заряда в мезопористом кремнии на основе p+-Si ПК с мезопористой структурой, полученный на p+ кремниевых подложках, обладает целым рядом отличительных свойств и изучению таких пористых слоев посвящено большое количество работ [76, 87, 97, 120 -122 и др.]. Данный ПК имеет развитую систему пор, поперечные размеры которых составляют от единиц до нескольких десятков нанометров. Мезопористые слои на основе p+-Si cчитаются перспективными материалами для электролюминесцентных ячеек, поскольку их проводимость выше, чем у мезопористых и микропористых слоев на основе p--Si. Структура мезопористого кремния зависит от показателя пористости, который может изменяться от 15 до 60%. Главная сложность в измерении электрических характеристик мезопористых слоев на p+-Si заключается в том, что, во-первых, слои ПК являются высокоомными, которых а, во-вторых, учитывать на при границе анализе таких слоев с металлами и монокристаллической подложкой имеют место выпрямляющие переходы, параметры необходимо экспериментальных результатов. Экспериментальные исследования электрических свойств мезопористого кремния на основе p+ подложек на первом этапе проводились на слоях с невысокой пористостью (1630%), а затем эти результаты были распространены на диапазон пористости 30-50%. Исследуемые слои ПК с невысокой пористостью были получены на кремниевых положках КДБ-0,03 ориентации (111) при электрохимическом травлении в 45% водном растворе HF при плотности анодирования 10 и 15 мА/см2. Время анодирования изменялось от 10 до 60 минут, толщина слоев ПК при этом увеличивалась от 15 до 60 мкм. Весовая пористость образцов составляла 16-30%. На образцах- свидетелях, сформированных при аналогичных режимах анодной обработки, методом плазмохимического травления проводилось удаление поверхностной аморфизированной пленки. Таким образом, результаты проводимых измерений позволяли одновременно оценить электрофизические параметры и аморфной пленки на поверхности ПК. На поверхности ПК и монокремния (МК) методом термовакуумного напыления наносились пленочные (0,5 мкм) алюминиевые контакты и проводилось их вжигание в инертной среде при 300С в течение 20 минут. Тестовые многослойные структуры Al-ПК-МК-Al имели размеры 5х5 мм2. Учитывая высокую фоточувствительность слоев ПК, все измерения выполнялись в условиях затемнения [57A, 60A]]. Важная особенность изучаемых слоев ПК заключалась в смене типа проводимости по сравнению с исходной подложкой. Измерения, проведенные методом термозонда, показали, что слои ПК обладают эффективным электронным типом проводимости. Дырочный тип проводимости проявляли только слои ПК, полученные при плотности тока анодирования 5 мА/см2 в течение до 20 минут. Именно на таких достаточно низкоомных образцах оказалось возможным провести измерение эффекта Холла, которое показало уменьшение концентрации дырок на 1-2 порядка по сравнению с исходной подложкой. Отметим, что эффект смены типа проводимости слоев ПК при анодной обработке в литературе практически не описан. Единственное упоминание об этом эффекте (кроме наших работ) содержится в статье [123]. Объяснение этого эффекта заключается в следующем. При электрохимическом травлении происходит уменьшение концентрации носителей заряда в монокристаллической матрице ПК, что доказывается вышеприведенными данными по измерению эффекта Холла на образцах, полученных в “мягком” режиме. Уменьшение концентрации дырок в ПК может быть настолько сильным, что материал переходит в состояние с собственной проводимостью (pn). В этом случае знак эффекта термоэдс будет определяться знаком более подвижных носителей. Поскольку в кремнии подвижность электронов больше подвижности дырок, то в исследуемых слоях ПК и проявляется эффективный электронный тип проводимости. Определение электрических параметров изучаемых слоев ПК проводилось на основе измерения и анализа вольтамперных характеристик (ВАХ) сэндвич-структур AlПК-МК-Al. На рис. 2.11 на примере одного из образцов приведены типичные ВАХ в интервале температур 120-300К. Прямому смещению соответствовала подача положительного потенциала на кремниевую подложку. Коэффициент выпрямления при комнатной температуре был, как правило, больше единицы и при смещении 1 В составлял 1,3-1200. Подобное поведение ВАХ для структур с ПК на p-Si отмечается и в других работах (например, [124 - 128]). Однако, в тех случаях, когда электрохимическая обработка проводилась длительное время (40-60 мин) и поверхностная аморфизированная пленка (ПАП) не удалялась, коэффициент выпрямления был меньше единицы. Кроме этого, для структур с ПАП при временах формирования ПК 25-40 мин коэффициент выпрямления становился меньше единицы при температурах ниже 210К. Это свидетельствует, с одной стороны, о том, что ПАП играет существенную роль в процессах переноса носителей заряда через структуру и изменяет свойства барьера Шоттки на границе Al/ПК, а с другой стороны, говорит о наличии двух выпрямляющих переходов в структуре, включенных навстречу друг другу.

Рис.2.11. Температурные изменения ВАХ исследуемых структур. ПК сформирован при j= 10 мА/см2, ta=20 мин., аморфная пленка не удалена. 1 - 293К, 2 205К, 3 - 160К, 4 - 137К, 5 - 120К (а). Схема включения структуры в прямом направлении (б). Эквивалентная электрическая схема структуры (в).

Рис.2.12. Типичные температурные зависимости удельного сопротивления и коэффициента токопрохождения на примере двух образцов с удаленной ПАП. 1 - j= 10 мА/см2, ta=20 мин., 2 - j= 10 мА/см2, ta=30 мин.

Для обработки полученных ВАХ была применена [47A] эквивалентная схема (рис.2.11,в), включающая в себя соединенные последовательно два диода и активное сопротивление. Один из диодов соответствует переходу ПК/МК, а второй - переходу Al/ПК. При подаче положительного потенциала на кремний переход МК/ПК включен в прямом направлении и его ВАХ записывается в виде [118] I = JsS exp (qU1/nkT). Вольтамперная характеристика слоя ПК имеет вид I = U2/R = SU2/r. (2.19) (2.18) При таких условиях барьер Шоттки включен в обратном направлении и его ВАХ в предположении генерационно-рекомбинационного механизма выглядит как [129] I = S -1/2 (0+U3)1/2. (2.20) В формулах (2.18) и (2.19) применены следующие обозначения. I -ток через структуру, Js - плотность тока насыщения, S - площадь контакта, q- заряд электрона, n- коэффициент токопрохождения гетероперехода ПК/МК, U1 - падение напряжения на гетеропереходе, U2 - падение напряжения на слое ПК, U3 - падение напряжения на контакте Al/ПК, Rсопротивление слоя ПК, r = RS, - коэффициент, зависящий от концентрации примесных атомов, диэлектрической проницаемости ПК, времени жизни носителей заряда. Контакт Al/МК считался омическим, активное сопротивление в эквивалентной схеме соответствовало сопротивлению слоя ПК или (для образцов без плазмохимического травления) сопротивлению слоя ПК вместе с поверхностной аморфизированной пленкой. Учитывалось, что сопротивление этого слоя является постоянным внутри узкого интервала смещений, но может изменяться при увеличении внешнего напряжения. Из формул (2.18-2.20) вытекает, что напряжение U, подаваемое на структуру, имеет вид U= (nkT/q)ln (I/S) +r(I/S)+ (I/S)2 -, где (2.21) = (nkT/q)ln Js +0.

(2.22) Функционал в этом случае будет выглядеть как сумма по i от 1 до s, где s- число экспериметальных точек в ВАХ Ф = (Ui - (nkT/q)ln (Ii/S) - r(Ii/S)- (Ii/S)2 + )2. (2.23) Условием наилучшего совпадения экспериментальных и теоретических ВАХ будет являться минимум функционала Ф, составленного из квадратов отклонений теоретических значений напряжения от экспериментальных. Из необходимого условия минимума функционала Ф/r = 0, Ф/ = 0, Ф/ = 0, Ф/n = 0 (2.24) получаем систему из четырех линейных алгебраических уравнений, решая которую, находим четыре величины (r,, n, ), две из которых имеют непосредственный физический смысл (r, n). Удельное сопротивление ПК определяется из формулы ПК = r / dпк..

(2.25) Для проведения расчетов была составлена программа POR, которая позволяла из cопоставления экспериментальных прямых ветвей ВАХ и теоретических зависимостей определять удельное сопротивление пористого слоя и коэффициент токопрохождения n в переходе ПК/МК. Анализ экспериментальных данных по описанной программе показал, что теоретические и экспериментальные результаты хорошо соответствовали друг другу и максимальные отличия между ними не превышали 4%. Анализ структур без ПАП свидетельствовал, что при комнатной температуре в интервале смещений до 2 В удельное сопротивление ПК, формировавшегося в течение 15-60 мин, незначительно зависит от продолжительности электрохимической обработки и составляет (1,4-8,4) 105 Ом·см. При меньших временах обработки ПК было меньше и для времени анодирования 10 мин составляло 5103 Омсм. При наличии ПАП сопротивление слоя ПК было на 1-3 порядка выше, что связано с наличием в структуре тонкой диэлектрической пленки. Сопротивление ПАП находилось в интервале от 10 кОм до 40 МОм и зависело от времени анодной обработки. Анализ ВАХ в области больших смещений (до 7 В) показал, что ПК исследуемых образцов уменьшается примерно на порядок по сравнению с данными для малых смещений. Это свидетельствует о нелинейном характере сопротивления слоя ПК, которое уменьшается при увеличении внешнего смещения в области больших полей. Модуляция сопротивления слоя ПК на слоях ПК на p-Si примерно в это же время была описана в работе [120] с объяснением на основании эффекта Пула-Френкеля и в статьях [82, 130, 131] на основании теории токов, ограниченных пространственным зарядом. В первом случае нелинейный характер проводимости описывается законом (F) = 0 exp(Ea/kT) exp (F/F0)-1/2, F01/2 = (kT/q) / (q /0)1/2, (2.26) где F - внешнее электрическое поле. Во втором случае нелинейный характер зависимости тока от напряжения записывается в виде I = (T) Un/dпкm, (2.27) где (T) - зависящий от температуры коэффициент, отражающий изменение подвижности носителей. На рис.2.12 представлены типичные изменения удельного сопротивления ПК и коэффициента n при уменьшении температуры от комнатной до 120К. Из приведенного рисунка следует, что в интервале температур 300- 200К зависимость удельного сопротивления от температуры носит активационный характер ПК exp(-Ea/kT) (2.28) c величиной энергии активации Ea в широком интервале 200-800 мэВ. На рис. 2.13 в крупном масштабе приведены температурные зависимости ПК в области температур 295-340K для нескольких образцов, которые подтверждают активационный характер проводимости. Полученные величины энергии активации находятся в хорошем соответствии с опубликованными данными для образцов ПК с низкой пористостью [79, 132, 133]. Отметим, что наблюдаемый активационный характер ПК(T) по своим количественным характеристикам не удовлетворяет правилам Мейера-Нелдела (разд. 2.4.2) для ПК с высокой (P>50%) пористостью. Изменения удельного сопротивления при температурах ниже 200К будут подробно рассмотрены в разд. 6.

Рис.2.13. Активационный характер проводимости исследуемых слоев ПК в области комнатных температур. 1 - j=10 мА/ см2, ta= 20 мин.;

2 - j =15 мА/ см2, ta= 10 мин.;

3 - j=10 мА/ см2, ta= 60 мин.;

4 - j=10 мА/ см2, ta= 10 мин.;

5 - j=15 мА/ см2, ta= 20 мин. Параметры зависимости = 0 exp(-Ea/kT) составляют: 1 - 0 = 3 1010 Ом-1 см-1, Ea=0,8 эВ;

2 - 0 = 4 1010 Ом-1 см-1, Ea=0,7 эВ;

3 - 0 = 2 109 Ом-1 см-1, Ea=0,8 эВ;

4 - 0 = 2 10-2 Ом-1 см-1, Ea=0,3 эВ;

5 - 0 = 1 10-1 Ом-1 см-1, Ea=0,4 эВ.

Коэффициент токопрохождения n при малых смещениях для структур с удаленной ПАП составлял 1,9--8,3, а при наличии ПАП - 1,0-2,9. Величина n зависела от величины приложенного напряжения и при его увеличении с 1,5 до 7 В увеличивалась в 2-3 раза. При понижении температуры (рис.2.12) наблюдалось увеличение n до аномально высоких значений. Причинами такого явления могут быть высокий уровень инжекции дырок из кремниевой подложки в ПК, что приводит к модуляции сопротивления слоя ПК, наличие локализованных состояний на границе раздела, неоднородность ПК по площади структуры и т.д. Необычным явлением, которое удалось обнаружить на исследуемых слоях, явилось появление локальных электрических полей. Между различными контактами на поверхности ПК возникала эдс, величина которой варьировалась от десятков до сотен милливольт и сильно зависела от освещенности. Подобное явление описано Ю.А. Вашпановым в [119] и связывается автором с наличием встроенных микрополей в неоднородной структуре материала. Комплекс описанных в данном разделе экспериментальных результатов может быть объяснен с точки зрения следующей модели. В мезопористом кремнии с малой пористостью, полученном на p+-Si, перегородки между порами имеют размеры более 5 нм [127]. В кристаллитах с такими размерами отсутствуют квантовые размерные эффекты и перенос носителей заряда осуществляется в соответствии с законами классической электродинамики. В то же время в данных участках кремниевой кристаллической матрицы происходит обеднение носителями заряда вплоть до состояния с собственной проводимостью, когда уровень Ферми находится посередине запрещенной зоны. В образцах с малой пористостью в результате неоднородного распределения пор по поверхности может иметь место образование областей с различной степенью обеднения. Чем выше показатель пористости, тем ПК все ближе подходит к состоянию с собственной проводимостью. Эффект обеднения объясняет достаточно высокие значения удельного сопротивления ПК (105-106 Ом·см). Перенос носителей заряда в такой системе может быть объяснен на основе модели неоднородных полупроводников с флуктуациями потенциального рельефа валентной зоны и зоны проводимости [134]. Эти вопросы подробно будут обсуждены в главе 6 при сопоставлении электрических свойств ПК и сильно компенсированных квазиоднородных полупроводников АIVВVI.

Возможные причины обеднения дырками перегородок в мезопористом кремнии на основе p+-Si в настоящее время активно обсуждаются в литературе и на данный момент отсутствует какой-либо окончательный вывод. Из прелагаемых гипотез наибольшее Эта модель применялась в наших подтверждение пока находят четыре. Прежде всего, это уже рассмотренная модель пассивации примесных атомов (бора) водородом. работах, в работах Балагурова Л.А. [87], обсуждалась в обзоре [98]. В случае мезопористого кремния даже небольших времен анодной обработки оказывается достаточно для глубокого проникновения атомарного водорода в объем перегородок и образования нейтральных комплексов Si-H-B. Данный подход способен довольно хорошо объяснять высокий уровень пассивации, изменение проводимости ПК при термической обработке (раздел 4), однако против этой модели говорит то, что на ИК спектрах пропускания для отделенных от подложки слоев ПК в области 1900 см-1 отсутствует [98] пик поглощения, характерный для комплекса Si-H(B) [103]. Здесь надо заметить, что в двухслойной структуре ПК/МК такой пик обнаружен [98] и возможно, что при отделении пленки ПК от подложки произошел тепловой или деформационный удар, приведший к разрушению комплексов примесной атом-водород. В последние годы появилась модель, связанная с эффектом увеличения энергии ионизации примесных атомов в нанометровых частицах с 20-40 мэВ до 2 эВ, что лишает примесные атомы свойства электрической активности [135,136]. Энергия отрыва Eb носителя от примесного атома в сферической наночастице размером A дается формулой Eb = (1/out +1,44/in) (e2/A), (2.29) где in - диэлектрическая проницаемость кремниевых кристаллитов, out -диэлектрическая проницаемость окружающей среды. Такой подход был использован авторами [137] для объяснения эффекта увеличения проводимости мезопористого кремния на основе p+-Si при заполнении пор средой с возрастающей диэлектрической проницаемостью (от 1 для вакуума до 24 для этанола). В работе Гупты [138] на основании исследования электронного парамагнитного резонанса предложено принимать во внимание еще одну причину, связанную с потерей электрической активности примесных атомов бора в ПК. Показано, что механические напряжения, сопровождающие процесс порообразования, способны выталкивать атомы бора в междоузлия, переводя их в пассивное состояние. Четвертая гипотеза пассивации примесных атомов бора в ПК заключается [139] во влиянии поверхности кристаллитов на электрическую активность примесных атомов.

Авторами [139] показано, что локальное травление кремния при электрохимической обработке останавливается в тот момент, когда атом бора оказывается расположенным близко к поверхности поры (1-3 атомных слоя) и, находясь от поверхности на расстоянии меньше боровского радиуса, перестает быть акцептором. Каждая из рассмотренных четырех причин обладает как положительными, так и отрицательными чертами и возможно, что нет смысла искать единую универсальную причину, ответственную за все случаи обеднения в ПК. В результате многообразия структурных характеристик ПК каждая из причин может одна или вместе с другими участвовать в процессах обеднения в ПК. Дальнейшие эксперименты показали, что рассмотренная в начале раздела двухбарьерная модель для структур с низкопористым (P<30%) кремнием позволяет достаточно хорошо описывать свойства мезопористого кремния и при более высоких значениях пористости (30-50%). Исследования проводились на слоях ПК толщиной 3-11 мкм, полученных в смеси 40% водного раствора HF и изопропилового спирта в соотношении 1:1. В качестве кремниевых подложек использовались пластины КДБ-0,03 и КДБ-1 ориентации (111). Пористость образцов составляла 30-50%. На поверхность ПК наносились алюминиевые и индиевые контакты размерами 1х1 мм2. Измерение ВАХ структур In/ПК/МК/Al и Al/ПК/МК/Al проводилось в интервале температур 295-350К в условиях затемнения. ВАХ характеризовались нелинейным, несимметричным характером, коэффициент выпрямления (за положительное смещение принимался + на МК) на одной и той же структуре при разных металлах мог быть как больше, так и меньше единицы. Индиевые и алюминиевые контакты были неомическими, что подтверждалось измерениями по методу Коха-Стрека. Применение двухбарьерной модели и компьютерной и программы POR показало, с что и в не этом хуже случае 10% экспериментальные теоретические зависимости точностью соответствовали друг другу. Несмотря на различный вид ВАХ для разных металлов, величины удельного сопротивления слоев ПК, определенные из ВАХ структур In/ПК/МК/Al и Al/ПК/МК/Al с одним и тем же слоем ПК, имели одинаковые значения. Это свидетельствует о правильности выбранной модели и о достоверности получаемых величин ПК. Удельное сопротивление слоев ПК составило в данном эксперименте 105107 Ом·см. Температурные зависимости ПК имели активационный характер с энергией активации в широком интервале от 320 до 680 мэВ. Как и в случае мезопористого кремния с малой пористостью, параметры активационой зависимости ПК(T) были отличны от правил Мейера-Нелдела для высокопористого ПК. Таким образом, результаты данного раздела свидетельствуют о том, что в мезопористых слоях на основе p+-Si и p-Si явления переноса носителей заряда имеют свои специфические особенности по сравнению с уже рассмотренными случаями для низкопористых слоев на основе n-Si. Для ПК с пористостью более 50% процессы дрейфа носителей претерпевают дальнейшие изменения, что будет рассмотрено в следующем разделе. 2.4. Проводимость пористого кремния с высокой пористостью, содержащего фазу аморфного кремния Экспериментальные исследования проводимости, выполненные на пористых слоях с показателем пористости более 50% и содержащих по данным рентгеновских исследований фазу аморфного кремния, выявили некоторые общие закономерности в дрейфе носителей заряда независимо от типа проводимости и вида легирования исходных кремниевых пластин, структуры пор, размеров нанокристаллитов и т.д [5A,25A]. Приведем полученные экспериментальные результаты и проанализируем их в рамках различных физических моделей. 2.4.1. ВАХ тестовых структур с толстыми слоями пористого кремния Известно, что слои ПК с высокой пористостью обладают большим удельным сопротивлением, которое может достигать 1010 -1012 Омсм [77, 96]. Кроме этого, для структур с такими слоями описаны выпрямляющие свойства барьеров на границах ПК/МК и (или) ПК/металл [124,140-145 и др.], которые затрудняют определение электрических параметров пористых слоев. Поэтому для изучения электрических характеристик ПК с высоким показателем пористости нами было предложено создавать и использовать тестовые структуры металл/ПК/МК/металл с толстыми (50- 170 мкм) пористыми слоями. Вследствие высоких значений ПК и большой толщины слоя ПК практически все падение напряжения, подаваемое на структуру, происходит на пористом материале. В этих условиях падение напряжения на барьерах металл/ ПК и ПК/МК невелико и при малых смещениях указанные переходы вблизи нулевой точки обладают практически линейными ВАХ. Это позволяет не учитывать нелинейные явления на границах и открывает возможность изучения при помощи данных тестовых структур процессов переноса носителей заряда в ПК.

В качестве исходных кремниевых пластин были использованы пластины КДБ-0,03, КЭС-0,01, КДБ-1, КДБ-10 ориентации (111) и (100). Пористый кремний формировался по методике жидкостного контакта Унно-Имаи в смеси 48%-ного водного раствора HF и изопропилового спирта (1:1) в течение 10-60 минут при плотности тока анодирования 5060 мА/см2. Толщина слоев ПК составляла 50-170 мкм, гравиметрическая пористость находилась в пределах 50-70%. На поверхности ПК и МК наносились пленочные алюминиевые контакты, которые вжигались в инертной среде при 300С в течение 15-20 минут. Площадь контактов измерительной структуры составляла 25 мм2. ВАХ измерялись по специальной схеме, предназначенной для высокоомных образцов. Диапазон внешнего смещения обеих полярностей составлял 6 В, измерения проводились с шагом 0,01-0,1 В. При проведении температурных измерений образцы для предотвращения процессов конденсации влаги находились в вакууме. На рис.2.14 приведены типичные ВАХ структур, сформированного на p+-Si, для интервала температур 220-295К. Прямое смещение соответствовало подаче положительного потенциала на кремниевую подложку (рис.2.14,б). Как следует из рисунка, охлаждение образцов приводит к значительному уменьшению прямых и обратных токов. При температурах ниже 220К сопротивление структур превышало 109 Ом (ПК>1010 Ом·см) и проведение измерений в силу технических причин было невозможным. С аналогичной трудностью столкнулись авторы [120], которым из-за высокого сопротивления ПК не удалось провести измерения ВАХ ниже 200К. В интервале от 220 до 260-280К ВАХ исследуемых структур были строго линейны, незначительно отличаясь по величине в двух направлениях. При более высоких температурах в области больших смещений ВАХ становились нелинейными, но оставались практически симметричными для двух направлений. Если ВАХ структур с относительно тонкими слоями ПК, как правило, имеют значительное выпрямление [76,82,124,140-144], то характерной чертой исследуемых структур явился иной характер зависимости, связанный с наличием симметричных прямых и обратных ветвей. Такая симметричность свидетельствует о том, что контакты металл/ПК и ПК/МК при подавляющем падении напряжения на слое ПК не проявляют выпрямляющих свойств. Небольшая разница в значениях токов для прямой и обратной ветвей объясняется различной инжекцией носителей (односторонней, двухсторонней) в Рис.2.14. ВАХ структуры на p-Si c пористостью 65% и толщиной слоя ПК 106 мкм в интервале температур 220-295К (а). Полярность приложенного напряжения при прямом смещении (б).

ПК.

Это подтверждается тем, что ВАХ для структур металл/ПК/МК/металл, сформированных на n-Si, имели аналогичный практически симметричный вид, но преобладающие токи соответствовали подаче положительного потенциала не на МК, а на ПК. Подобные симметричные нелинейные ВАХ представлены в [120,146,147] для высокоомных слоев ПК с относительно большими толщинами. 2.4.2.Температурные зависимости удельного сопротивления пористого кремния с высокой пористостью На основании полученных ВАХ появилась возможность по начальному линейному участку определить сопротивление слоя ПК, рассчитать величину ПК и изучить характер изменения удельного сопротивления слоев ПК с температурой. Величины удельного сопротивления ПК при комнатной температуре на пластинах n-Si и p-Si незначительно отличались друг от друга и находились в интервале 1108-8108 Ом·см. Эти значения превышают соответствующие значения ПК для слоев ПК, описанных в предыдущих разделах. На рис.2.15 приведены типичные температурные зависимости проводимости высокопористых образцов в области комнатных температур. Как следует из приведенных зависимостей, для всех образцов, независимо от типа проводимости кремниевой подложки, наблюдается активационный характер = 0 exp (-Ea/kT), (2.30) где 0 - префактор, соответствующий проводимости при бесконечно высокой температуре. Активационные зависимости проводимости в области комнатных температур уже отмечались нами для мезопористых образцов с невысокой пористостью (разд.2.3), однако отличительной чертой ПК с высокой пористостью явилось то, что между величинами 0 и Ea имелась определенная взаимосвязь. Впервые подобную закономерность описали Балагуров с соавторами [148], а затем Лубианикер и Балберг [149-151] провели детальное изучение этого явления. Ими было обнаружено, что для ПК с высокой пористостью экспериментальные зависимости 0 =f (Ea ) укладываются в две узкие полосы (два правила Мейера-Нелдела), показанные на рис.2.16, при этом верхняя полоса значений соответствует известной зависимости 0=f(Ea) для аморфного гидрогенизированного кремния -Si:H [152,153]. Правила Мейера-Нелдела подчинялись общему выражению Рис.2.15. Активационный характер проводимости ПК с высокой пористостью в области комнатных температур. Образцы 1, 2 получены на кремнии n-типа проводимости (P=52-60%);

3, 4, 5 - на кремнии p-типа (P=.60-68%).

ln0 = BMNR + Ea/EMNR, (2.31) где параметры BMNR для первого и второго правила составляли 7,2·10-3 Ом-1·см-1 и 2,2·10-5 Ом-1·см-1, а параметры EMNR - 50 мэВ и 166 мэВ, соответственно. Расчеты показали, что наши экспериментальные результаты 0=f(Ea) удовлетворяют верхней полосе значений (рис.2.16), описывающей перенос носителей в aSi:H по делокализованным состояниям. Величина энергии активации составила 0,42-1,05 эВ, что характерно для аморфного гидрогенизированного кремния [153] и объясняется изменением энергетического диапазона между уровнем Ферми и зоной делокализованных состояний при вариации содержания водорода. Набор полученных экспериментальных фактов может быть интерпретирован следующим образом. В последнее время при анализе экспериментальных результатов для ПК с высокой пористостью обязательно учитывается наличие продуктов электрохимических реакций, которые в процессе порообразования частично переходят в электролит, а частично оседают на стенках пор. Поэтому разумно описывать ПК с высокой пористостью как набор кремниевых нанокристаллитов с различной размерностью, окруженных продуктами электрохимических реакций («pea-pod» модель [151]), которые, в свою очередь, контактируют с порами. Такая “трехфазная” модель ПК обсуждается во многих работах [147,149-151,154,155 и др.]. Считается, что в зависимости от условий анодирования состав продуктов электрохимических реакций может быть различным: от фазы, близкой к аморфному кремнию [57, 156-158]], до фазы, близкой к SiOx [159,160]. Электрохимическое травление длительное время в электролитах с большой концентрацией HF приводит, как правило, к формированию в объеме ПК фазы аморфного кремния, что обнаруживается методами просвечивающей электронной микроскопии, рамановской спектроскопии и другими методами [34-38]. На исследуемых образцах наличие фазы аморфного кремния подтверждено рентгеновскими исследованиями. Поэтому перенос носителей заряда в данном случае может происходить по фазе, близкой по свойствам к -Si:H, окружающей кремниевые нанокристаллиты. Это нашло свое подтверждение не только при выполнении правила Мейера-Нелдела для проводимости аморфного кремния на постоянном токе, но и при измерениях величины подвижности, температурных зависимостей подвижности, проводимости на переменном токе и т.д.

Рис.2.16. Два правила Мейера-Нелделя (область 1 и область 2) для ПК по данным работ Лубианикера и Балберга. Штриховой линией показана зависимость для аморфного гидрогенизированного кремния. Крестиками отмечены результаты для исследуемых образцов ПК, сформированных на n-Si и p-Si подложках.

В цикле работ Голиковой О.А. и сотр. [161, 162 и др.] при изучении темновой проводимости аморфного гидрогенизированного кремния, содержащего кремниевые нановключения, было показано, что для таких объектов на температурной зависимости электропроводности при большом вкладе SiH2-связей (более 65% по отношению к суммарному содержанию SiH2-SiH-комплексов) в области комнатных температур наблюдаются два активационных участка. По мнению авторов, высокотемпературный участок с энергией активации 0,5 –1,0 эВ связан с переносом носителей заряда по -Si:H, а низкотемпературный участок с энергией активации 0,1-0,4 эВ описывает дрейф носителей с участием нанокристаллитов. В наших исследованиях не удалось обнаружить в области комнатных температур низкотемпературного активационного участка. Это может быть связано как с невысоким содержанием SiH2-связей в ПК, так и с процессами обеднения носителей заряда в наночастицах ПК. 2.4.3. Анализ нелинейного характера сопротивления пористого кремния в рамках теории токов, ограниченных пространственным зарядом Нелинейный характер ВАХ в области больших смещений (рис.2.14) был проанализирован при помощи различных моделей, и наиболее полное соответствие теории и эксперимента было получено для теории токов, ограниченных пространственным зарядом (ТОПЗ) [163]. На рис.2.17 представлены типичные ВАХ исследуемых образцов, перестроенные в координатах lgI = f(lgU). Полученные зависимости соответствуют общему закону IUn. В области малых смещений ВАХ линейна и n=1. При дальнейшем увеличении напряжения n становится равным 2, а затем появляется участок с n>2. Вольтамперные характеристики вида IUn (2.32) с участками n=1, n=2, n>2 характерны для различных механизмов токопрохождения: туннелирования носителей через диэлектрические прослойки в проводящих пленках, дрейфового механизма омической релаксации прямого тока в диодных структурах с учетом статистики рекомбинации электронов и дырок через глубокие рекомбинационные комплексы [164], для обратно-смещенного барьера Шоттки с участком лавинного пробоя [165] и др. Такое поведение ВАХ в нашем случае может быть объяснено в рамках теории ТОПЗ. Модель ТОПЗ, учитывающая роль ловушек в материале, впервые была применена к ПК Коямой и Кошидой в [130], а затем широко использовалась различными исследовательскими группами [82,87,131,141,142,166-168]. Эта модель в последнее время активно применяется и к другим пористым полупроводникам - SiC [169], GaAs [170]. В перечисленных работах показано, что теория ТОПЗ хорошо описывает экспериментальные результаты на высокоомных слоях ПК и положения этой теории могут быть использованы для определения некоторых электрофизических параметров пористого материала. В рамках теории ТОПЗ из экспериментальных ВАХ могут быть вычислены величины эффективной дрейфовой подвижности носителей µ и концентрации уровней ловушек Nt. Расчет подвижности носителей заряда был выполнен в области квадратичного ловушечного участка ВАХ при прямых смещениях по формуле [163] I = 9µ0SU2/8dпк3, (2.33) где - статическая диэлектрическая проницаемость ПК, 0 - диэлектрическая проницаемость вакуума, S - площадь контактных площадок. Достоинством применяемых тестовых структур с толстыми слоями ПК явилось и то, что оказалось возможным измерить величину на этих же образцах (глава 5). Величина эффективной дрейфовой подвижности носителей заряда в ПК, сформированном на p-Si, при комнатной температуре составила 0,05-0,31 см2/Вс. Перенос носителей заряда в структуре при прямом смещении характеризуется двойной инжекцией (дырок со стороны p-подложки и электронов со стороны металлического электрода) и поэтому достаточно сложно сказать, каким носителям соответствует определяемая величина дрейфовой подвижности. Поскольку при обратной полярности при осуществлении электронного переноса вычисляемая величина дрейфовой подвижности сильно не изменялась, то, вероятнее всего, величины 0,05-0,31 см2/Вс могут быть приписаны электронам. Это подтверждается и тем, что для ПК, полученного на исходном кремнии n-типа, подвижность носителей (электронов) находилась в интервале 0,01-0,25 см2/Вс. Приведенные данные по подвижности хорошо согласуются с результатами работ [144, 166,167 и др.]. Например в [141] значение эффективной подвижности носителей в ПК на p-Si составляет 0,2 см2/Вс, в [167] - 0,06 см2/Вс, в [166] - 0,6 см2/Вс. Для ПК, сформированного на n-Si, Лебедевым Э.А. измерена величина подвижности электронов 10-2 см2/Вс [168]. В работе [82] значение подвижности носителей заряда при P=80% cоставило 10-3 см2/Вс.

Рис.2.17. Типичные ВАХ исследуемых структур на p-Si в двойном логарифмическом масштабе при 295К: dпк =36 мкм (1) и dпк =42 мкм (2).

Рис.2.18. Плотность состояний вблизи квазиуровня Ферми для образцов ПК с высокой пористостью (P=62-68%), определенная из ВАХ структур при помощи step-bystep метода для нескольких образцов, сформированных на исходных подложках КЭС0,01.

Диапазон подаваемых смещений при измерении ВАХ был ограничен такой величиной напряжения, выше которой начинался неконтролируемый процесс нагрева образца. Поэтому для большинства исследуемых образцов не удалось достигнуть напряжения полного заполнения ловушек. Для структур, в которых наблюдался переход к квадратичному безловушечному участку, концентрация ловушек Nt оценивалась по формуле [163] Nt = 0U*/qdпк2, (2.34) где U* - напряжение полного заполнения ловушек, q- заряд электрона. Величина Nt для исследуемых образцов оказалась равной 1012 - 1013 см-3. Среди известных работ по ТОПЗ в ПК данные по Nt приведены только в работе [167] и составляют 1013 см-3. Поскольку в предыдущем разделе было высказано предположение о том, что в исследуемых образцах ПК перенос носителей заряда осуществляется по фазе, окружающей кремниевые кристаллиты, близкой по свойствам к -Si:H, то интересно было сопоставить полученные значения подвижности носителей в ПК с высокой пористостью с данными для аморфного гидрогенизированного кремния. Из литературных данных следует, что дрейфовая подвижность электронов при комнатной температуре в слоях -Si:H составляет 0,01 - 20 см2/Вс [171,172 и др.]. Дрейфовая подвижность дырок в -Si:H меньше, чем подвижность электронов [171], и находится в интервале 10-3 - см2/Вс [171,173 и др.]. Сравнение полученных данных по подвижности носителей в исследуемых слоях ПК и в гидрогенизированном аморфном кремнии показывает хорошее согласие. Кроме этого отметим, что транспорт носителей в -Si:H при определенных условиях так же, как и в ПК, подчиняется модели ТОПЗ [173-177 и др.]. Эти факты дополнительно свидетельствуют в пользу предполагаемой модели переноса носителей заряда в ПК с высокой пористостью по фазе аморфного кремния. Применение теории ТОПЗ к исследуемым слоям ПК позволило дополнительно оценить величину плотности состояний вблизи квазиуровня Ферми. Для этой цели был использован step-by-step метод, предложенный в 1981 году Ден Бором и описанный в [175]. В рамках данного метода производится математическая обработка ВАХ I(U) структуры, измеренной с малым шагом. Если падение напряжения на структуре возросло с U1 доU2, а ток соответственно увеличился с I1 до I2, то смещение квазиуровня Ферми EEF вычисляется по формуле E-EF = k T ln(I2U1/I1U2), а величина плотности состояний N(E) в интервале энергий E-EF определяется как N(E) =0(U2-U1) / q dпк2 (E-EF).

(2.35) (2.36) В формулах (2.35) и (2.36) k - постоянная Больцмана, T - температура, - диэлектрическая проницаемость пористого материала. На рис. 2.18 на примере нескольких образцов ПК, полученных на n-Si, ВАХ которых измерены с высокой точностью и с малым шагом, приведены типичные зависимости плотности состояний вблизи квазиуровня Ферми. Обычно в области суперлинейного участка ВАХ имелось не менее 50 -100 экспериментальных точек. Представленные результаты показывают, что величина плотности состояний для разных образцов ПК с высокой пористостью в энергетическом интервале 20-90 мэВ по направлению к зоне проводимости находится в достаточно узком интервале значений 41015-31016 см-3·эВ-1. Важно заметить, что полученные значения плотности состояний вблизи уровня Ферми полностью соответствуют ставшей классической схеме распределения плотности состояний в щели подвижности для нелегированного -Si:H [178]. Подобные результаты представлены для пористого кремния в работах Балагурова Л.А. 1·1015- 4·1015 см-3·эВ-1 [87] и Матсумото Т. 2·10151·1016 см-3·эВ-1 [169,179]. Наличие ловушек в пористом слое и их роль в процессах токопрохождения подтверждается также другими явлениями в ПК. Исследуемые структуры в области нелинейности ВАХ обладали заметным гистерезисом (рис.2.19), который отсутствовал при циклических измерениях напряжения на участке линейного роста. Явление гистерезиса ВАХ структур с высокопористыми слоями описано также в работах [128,144,146]. Кроме этого, вид переходных характеристик при подаче импульсов напряжения соответствовал теории ТОПЗ. Эти результаты будут описаны в следующем разделе. 2.4.4. Переходные характеристики для высокопористых слоев и температурная зависимость подвижности носителей Прямым методом определения дрейфовой подвижности в высокоомных материалах являются импульсные измерения переходных ТОПЗ, описанные в [163,180]. Суть метода заключается в измерении параметров переходных процессов, которые Рис.2.19. Явление гистерезиса в толстых слоях ПК при прямом смещении: dпк =50 мкм (1) и dпк =80 мкм (2).

Рис.2.20. Осциллограммы импульсов напряжения на эталонном сопротивлении при подаче прямоугольных импульсов 5 В (1), 4 В (2), 3 В (3) на ПК, сформированный на КЭС-0,01 при j=60 мА/cм2, ta= 60 мин, P=52%.

возникают после подачи импульсов напряжения на исследуемый образец. Вследствие высокого удельного сопротивления изучаемых материалов время диэлектрической релаксации значительно превышало время пролета, в результате чего избыточные носители заряда не экранировались основными. Подобная методика применительно к ПК использовалась авторами [181]. Измерения переходных характеристик в исследуемых многослойных структурах Al/ПК/МК/Al проводились при воздействии чередующимися импульсами длительностью 1 мс с интервалом 0,5 мс. Амплитуды импульсов составляли 3-5 В. Осциллограммы переходных процессов фиксировались на низкоомном эталонном сопротивлении, включенном последовательно с измеряемым образцом. В этом случае изменение напряжения на эталонном сопротивлении соответствовало изменению тока в измеряемом образце. Типичные переходные характеристики при различных амплитудах импульсов напряжения представлены на рис.2.20. Вид этих зависимостей соответствует теории ТОПЗ для “ловушечной” кривой [163] и характеризуется резким возрастанием тока в образце за время t1 и последующим спадом. Процесс нарастания связан с пролетом носителей заряда через ПК, а спад - с захватом носителей на ловушки. Измерения, выполненные на большой группе образцов, показали, что вид характеристик не зависел от степени легирования исходных кремниевых подложек (p- или n-типа). Дрейфовая подвижность носителей заряда определялась по формуле µ = 0,786 dпк2 / t1Umax, (2.37) где Umax - значение напряжения на образце. Особенностью измеряемых образцов было незначительное уменьшение времени t1 при изменении амплитуды импульсов в диапазоне 3-5 В. Такой эффект известен для полупроводников, в которых подвижность носителей зависит от напряженности электрического поля, в частности для аморфного гидрогенизированного кремния. Поэтому в дальнейшем для сравнительных измерений все расчеты проводились для одинаковой амплитуды импульсов. Величины µ, определенные по методу переходных характеристик в рамках модели ТОПЗ, составили для образцов ПК на n-Si подложках при 295К 0,10-1,1 см2/Вс, а для пористых слоев на pSi - 0,15-1,5 см2/Вс. При изменении полярности импульсов величины подвижности носителей в ПК и на p-Si и на n-Si подложках не изменялись. Как уже обсуждалось в предыдущем разделе, одинаковые значения дрейфовой подвижности для ПК на подложках с донорным и акцепторным видом примеси могут быть объяснены определяющим влиянием инжектированных электронов в ПК, в результате чего определяемая величина подвижности даже в случае подложек p-Si относится к подвижности электронов. Полученные величины дрейфовой подвижности электронов оказались на два порядка выше величины подвижности дырок в ПК, определенной методом измерения времени пролета в [181]. Полученные из импульсных характеристик результаты по подвижности оказались несколько выше значений µ, определенных из статических ВАХ, что может быть связано как с особенностями применяемых методик, так и с зависимостью величины подвижности от электрического поля в ПК. Известно, что стационарные токи, ограниченные пространственным зарядом, много меньше переходных токов [172], что объясняется захватом носителей на более глубокие уровни, что, в свою очередь, уменьшает дрейфовую подвижность для случая стационарных токов. На рис.2.21 приведены типичные изменения переходных характеристик в температурном интервале 290-370К. При повышении температуры происходило уменьшение времен t1. Вычисление величины подвижности в температурном интервале 290-370К показало для всех образцов ПК незначительное увеличение µ (в 1,4-2 раза) с ростом температуры. Это проиллюстрировано на рис.2.22, где четко виден активационный характер зависимости µ exp(-Eµ /kT).

(2.38) Величина энергии активации подвижности Eµ составила для исследуемых структур 0,050,08 эВ. Аналогичное изменение подвижности в температурном интервале 190-360К равной 0,14 эВ, и авторами работы [182], которые обнаружили описано Аверкиевым Н.С. и сотр. в [181] для дырок в ПК, которые определили энергию активации Eµ активационный характер подвижности дырок с Eµ =0,2-0,25 эВ. Значение подвижности электронов в последней работе составляло 2-4 см2/Вс и не зависело от температуры. Экспоненциальная зависимость дрейфовой подвижности носителей в ПК от температуры с энергией активации 0,38 и 0,41 эВ для электронов и дырок соответственно описана для температурного интервала 290-350К также и для случая сильной инжекции в полях 2104 В/см [183]. Активационный характер зависимости µ (T) для аморфного гидрогенизированного кремния в области температур 250-400К известен достаточно Рис.2.21. Типичные температурные изменения осциллограмм для исследуемых слоев ПК на примере образца на p-Si с пористостью 62%.

Рис.2.22. Температурные зависимости дрейфовой подвижности в слоях ПК, полученных на пластинах n-Si (1, 2, 4, 5, 8 ) и p-Si (3, 6, 7).

хорошо [28,171,184]. Величина подвижности электронов при этих температурах обусловлена движением инжектированных носителей по нелокализованным состояниям с процессами многократного состояния. захвата и освобождения зависимость электронов дрейфовой на мелкие локализованные Температурная подвижности электронов в модели многократного захвата записывается в виде [28,171] µ exp[-(Ec-Et) /kT], (2.39) где Eµ=Ec-Et - эффективная ширина распределения локализованных состояний в хвостах зон. Экспериментальные значения энергии активации Eµ для -Si:H для дрейфовой подвижности электронов, контролируемой ловушками, находятся в широком интервале значений 0,10-0,19 эВ [28,171]. Сравнение с аналогичными данными для пористых структур свидетельствует о том, что в исследуемых образцах ПК участие в переносе принимают ловушки с энергиями Et, расположенными ближе к краю подвижности Ec. Известно, что величина Eµ в -Si:H зависит от величины электрического поля в образце, от длительности импульса, и при больших напряженностях электрического поля и субпикосекундных импульсах величина Eµ в гидрогенизированном аморфном кремнии может уменьшаться до 0,03-0,06 эВ. Важно отметить, что зависимость вида (2.38) наблюдалась также и для микрокристаллического кремния [185], который был представлен авторами как набор кремниевых микрокристаллитов с размерами 20-100 (Eµ= 0,04-0,1 эВ), окруженных аморфным кремнием. В модели движения носителей по делокализованным состояниям, сопровождающегося процессами многократного захвата на мелкие ловушки, формула (2.37) может быть записана также в следующем виде [28] µ =µ 0 (Nc / Nt) exp[-Eµ /kT], где µ0 – подвижность электронов по делокализованным состояниям, Nc (2.40) и Nt – эффективные плотности состояний на краю зоны и локализованных состояний, соответственно. Если принять во внимание величину µ0 =2-4 см2/Вс [182] и положить Nc = 1019 см-3 [181], то концентрация мелких локализованных состояний в исследуемых образцах ПК может быть оценена как Nt =1017-1019 см-3. Анализ релаксационных кривых (рис.2.20) в области максимума тока и на участке спада позволил получить дополнительную информацию о величинах концентрации носителей заряда в “проводящих“ областях ПК и сечения захвата ловушек. Оценка величины концентрации носителей заряда n проводилась по методике [180], согласно которой n =Imax t1 / q dПК S, (2.41) где Imax - максимальный ток в импульсе, t1 - время нарастания импульса, q - заряд электрона, dПК - толщина слоя ПК, S - площадь контактов. Применение формулы (2.41) к исследуемым слоям ПК показало, что концентрация носителей заряда при комнатной температуре составляет 51014 - 11016 см-3. Полученные результаты согласуются с оценками величины n, выполненными из других экспериментальных данных. Действительно, учитывая, что удельное сопротивление исследуемых слоев ПК при комнатной температуре составляет ПК = (1-8)108 Омсм, подвижность электронов из разных методик - 0,01-1 см2/Вс, а также наличие в объеме ПК непроводящих областей, получаем, что концентрация носителей заряда в “проводящих“ областях ПК должна быть n > (ПК q µ)-1. (2.42) Из формулы (2.42) следует, что концентрация электронов в ПК превосходит 1011-1013см-3, согласуясь с данными, полученными на основании формулы (2.41). Анализ релаксационных кривых на участке спада показал, что зависимость тока в образце (напряжения на эталонном сопротивлении) от времени носит экспоненциальный характер. Это проиллюстрировано на рис.2.23, где представлен спадающий участок релаксационной кривой в координатах ln I(t). Это позволило для каждого образца рассчитать время релаксации 0 (2-120 мкс) и произвести оценку эффективного сечения захвата на ловушки eff [180] eff = ( 0 n VT)-1, (2.43) где VT - тепловая скорость носителей заряда, VT 1,6(kT/m)1/2, m- масса электрона. Величина eff составила для исследуемых образцов ПК 410-16 - 110-18 см-2, что близко к значениям эффективного сечения захвата для кремний-водородных пленок, приведенным в [180]. Таким образом, результаты изучения электрических и структурных характеристик слоев ПК с высокой пористостью свидетельствуют о существенной роли, Рис.2.23. Типичные зависимости, описывающие экспоненциальный спад величины тока в слоях ПК со временем при подаче импульсов 3, 4 и 5 В. Исходная подложка КДБ-0,03. Толщина пористого слоя 36 мкм, пористость 55%.

которую играет в процессах переноса носителей заряда в исследуемых образцах фаза аморфного кремния. Дрейф носителей в этом случае происходит по оболочке аморфного кремния, окружающей кремниевые нанокристаллиты. Комплексные исследования электропроводности и подвижности качественно и количественно подтвердили соответствие получаемых зависимостей для высокопористого кремния и аморфного гидрогенизированного кремния. Эти результаты приведены в таблице 2.4. Сравнительная характеристика электрических свойств исследуемых слоев ПК с высокой пористостью и -Si:H Табл.2.4 Свойство -Si:H ПК (T) Правило МейераНелдела 0=f(Ea) с BMNR=7,2 10-3 Ом-1см-1 и EMNR=50 мэВ модель ТОПЗ Дрейфовая подвижность электронов, см2/Вс Активационный характер с Активационный характер с различной Ea различной Ea Выполняется Выполняется Выполняется 0,01- Выполняется µ(T) Стационарные ТОПЗ: 0,01-0,25 переходные ТОПЗ: 0,10-1,1 Активационный характер с Активационный характер с Eµ=0,10-0,19 эВ Eµ=0,05-0,08 эВ Выводы по главе 2 1. Проведено комплексное изучение температурных зависимостей удельного сопротивления, коэффициента Холла, вольтамперных и импульсных переходных характеристик на слоях пористого кремния с различной морфологией пор. Показано многообразие электрических свойств ПК. 2. Для ПК, сформированного на сильно легированных сурьмой подложках и обладающего невысокой пористостью (8-27%), показано отсутствие обеднения монокристаллической матрицы пористого материала. Явления переноса в таком материале «кремний+поры». 3. Для макропористого кремния с редкими крупными порами (P=5-10%), полученного на слабо легированных фосфором пластинах, комплекс электрофизических исследований показал наличие обедненных областей вокруг пор. Проанализированы причины появления обедненных областей. Продемонстрировано, что наилучшее согласие с экспериментом дает модель пассивации примесных атомов водородом. Показано, что перенос носителей заряда в таком ПК осуществляется в рамках теории эффективной среды в модели «кремний+поры+обедненные области». 4. Для мезопористого кремния с невысокой пористостью (6-30%), сформированного на сильно легированных бором кремниевых пластинах, установлено сильное обеднение монокристаллической кремниевой матрицы ПК, в результате чего пористые слои проявляют эффективный электронный тип проводимости. Температурные зависимости проводимости имеют активационный характер, не подчиняющийся правилам Мейера-Нелдела для аморфного гидрогенизированного кремния. Для объяснения транспорта носителей предложена модель дрейфа в случайном потенциальном рельефе. 5. ПК с высокой пористостью (более 40-50%), содержащий в своем объеме фазу аморфного кремния, характеризуется высоким удельным сопротивлением, а температурные зависимости проводимости имеют активационный характер, соответствующий правилу Мейера-Нелдела для проводимости по распространенным состояниям в аморфном гидрогенизированном кремнии. Показано выполнение теории ТОПЗ для вольтамперных и переходных характеристик материала. Определены подчиняются теории эффективной среды в модели величины подвижности и их температурные зависимости. Продемонстрировано, что перенос носителей заряда в таком ПК осуществляется в рамках «pea-pod» модели по оболочке аморфного гидрогенизированного кремния, окружающего кремниевые нанокристаллиты.

3. Классификация электрических свойств пористого кремния и контактные явления на границе пористого кремния с металлами и кристаллическим кремнием Описанные выше экспериментальные результаты свидетельствуют о разнообразном характере процессов переноса носителей заряда в пористом кремнии, которые подчиняются различным моделям в зависимости от величины пористости, морфологии пор, процессов обеднения, наличия в объеме продуктов электрохимических реакций и т.д. Достаточно сказать, что расстояние между порами в пористом материале может изменяться в широких пределах, влияя на дрейф носителей. Толщина перегородок между порами может быть оценена из простой геометрической модели (рис.3.1). Если теоретически рассматривать ПК как набор цилиндрических пор радиусом R, расположенных в кремнии в вершинах квадрата, то величина пористости P будет равна доле пустот в объеме материала и в рассматриваемой геометрии задачи запишется P = Vpor/V = Spor/S = R2/ (2R+)2, (3.1) где Vpor и Spor - объем и площадь, занимаемые порами в объеме V (на площади S), а ближайшее расстояние между порами. Из этого выражения следует зависимость расстояния от величины пористости и радиуса пор = R(1/2 - 2P1/2) / P1/2.

(3.2) Результаты, получаемые при помощи этой формулы, соответствуют графическим зависимостям для средних и больших P из [186]. Оценки, сделанные на основании ф.(3.2), показывают, что для макропористого кремния с пористостью 5% и поперечным размером пор 1,6 мкм (разд.2.2) расстояние превышает 5 мкм, в то время как для мезопористого кремния с поперечным размером пор 10 нм при пористости 30% (разд.2.3) этот параметр составляет 7 нм. В пористом кремнии с высокой пористостью структура материала претерпевает значительные изменения и геометрической моделью, показанной на рис.3.1, уже нельзя пользоваться. В этом случае отдельные кремниевые нанокристаллиты покрыты продуктами электрохимических реакций и находятся в изоляции друг от друга. Все это объясняет многообразие электрических свойств ПК и требует систематизации экспериментальных фактов.

Рис.3.1. Геометрическая модель для вывода формулы зависимости расстояния между стенками пор от радиуса пор и величины пористости.

3.1. Классификация электрических свойств пористого кремния Предлагаемая классификация электрических свойств ПК [6A] предусматривает деление пористого материала на четыре группы (рис.3.2), каждая из которых обладает индивидуальным набором свойств. К первой группе (PS1) относится пористый материал, у которого обедненные области или отсутствуют или слабо выражены. Такой пример описан в разд.2.1, когда ПК был сформирован на сильно легированных сурьмой кремниевых пластинах и имел пористость 8-27%. Измерения эффекта Холла показали неизменность концентрации электронов в монокристаллической матрице ПК по сравнению с исходным кремнием. Величина удельного сопротивления ПК оказалась в 1,2-1,7 раза больше, чем у исходной кремниевой подложки, что соответствовало расчетам на основе теории эффективной среды в модели "кремний-воздух". ПК 1-й группы, в отличие от пористых слоев других групп, не чувствителен к изменению влажности и присутствию полярных молекул. Вторую группу (PS2) образуют пористые структуры, у которых крупные поры далеко отстоят друг от друга и поэтому обедненные области вокруг пор не перекрываются. Примером этого является ПК, описанный в разд.2.2. Холловские измерения свидетельствовали, что концентрация электронов в области вокруг пор уменьшается, а увеличение удельного сопротивления ПК в этом случае не соответствует теории эффективной среды для весовой пористости, но находится в хорошем согласии с этой теорией при учете дополнительного объема, занимаемого обедненными областями. Удельное сопротивление ПК 2-й группы превышало удельное сопротивление исходного кремния в 1,6-15 раз и связано с переносом носителей заряда по низкоомным необедненным участкам кремниевой матрицы. ПК с такой морфологией эффективно формируется на подложках n-типа, хотя не исключено получить структуру с редкими макропорами и на p-Si [187]. В третью группу (PS3) входят пористые структуры с сильно развитой сетью мелких пор и имеющие относительно невысокий показатель пористости (менее 40-50%). Обедненные области соседних пор (за счет малого расстояния между стенками пор) перекрываются и весь оставшийся монокристаллический остов представляет собой кораллообразную структуру, состоящую в общем случае из областей с различной степенью обеднения, а в предельном случае - из кремния с собственной проводимостью (разд.2.3). Удельное сопротивление ПК 3-й группы резко возрастает (до 106 Омсм) по Рис.3.2. Схематичное изображение процессов переноса носителей в ПК различных групп. 1 - исходная монокристаллическая матрица, 2 - поры, 3- обедненные области, 4 - фаза продуктов электрохимических реакций.

сравнению с уже рассмотренными случаями, дрейф носителей заряда осуществляется по высокоомной кремниевой матрице и может сопровождаться явлением кулоновского отталкивания от заряженных стенок [79]. Зависимости проводимости ПК от температуры обладают активационным характером с различной энергией активации 0,32-0,68 эВ для интервала 300-500К, что связано с флуктуацией потенциального рельефа. ПК, сформированный на подложках p-типа, в методе термозонда часто проявляет эффективный дырками. Четвертая группа (PS4) включает в себя структуры с высокой пористостью (более 45-50%), для которых структура материала, а следовательно и характер проводимости, претерпевают значительные изменения. Такой ПК представляет собой совокупность кремниевых нанокристаллитов с различной фрактальной размерностью, находящихся в пористой матрице сложного химического состава. Нанокристаллиты кремния размерами от единиц до десятков нанометров являются областями кремния, не подвергнутыми растворению и окруженными продуктами электрохимических реакций. При размерах кристаллитов менее 4 нм в них начинают возникать квантово-размерные эффекты, приводящие к квантованию энергетического спектра носителей, к увеличению ширины запрещенной зоны до 1,8-2,9 эВ [136,188-190] и к уменьшению диэлектрической проницаемости [78]. Структура ПК, когда кремниевые кристаллиты погружены в среду продуктов электрохимических реакций, обуславливает аномально высокое удельное сопротивление ПК, достигающее 109 Омсм в наших измерениях и 1012 Омсм по данным работы [77]. Температурные зависимости темновой проводимости образцов ПК 4-й группы в области комнатных температур имеют активационный характер, при котором энергия активации и предэкспоненциальный множитель связаны двумя правилами Мейера-Нелдела. К настоящему времени не выявлено существенных различий в характере проводимости пористого материала этой группы при наличии и отсутствии размерного квантования. Это объясняется тем, что длины дрейфа носителей даже при низких подвижностях не превышают 0,1 мкм [7,131], что много больше размеров квантового конфайнмента (2-5 нм). Нанокристаллиты кремния подвержены процессам обеднения, концентрация носителей в них 1010 [97] - 1013 [82] cм-3, однако величина проводимости уже определяется не столько концентрацией носителей, сколько характером переноса. Проводимость в такой структуре в сильной степени зависит от удельного сопротивления электронный тип проводимости, характерный для собственных полупроводников, имеющих более высокую подвижность электронов по сравнению с среды продуктов электрохимических реакций и может осуществляться по окружающей кристаллиты матрице (близкой по свойствам к -Si:H, разд.2.4) или при помощи межкристаллитных перескоков (когда удельное сопротивление окружающей нанокристаллиты среды достаточно велико). Последний случай может иметь место при формировании продуктов электрохимических реакций в виде высокоомных оксидов SiOx [191-194]. Оболочка из оксидов кремния может формироваться вокруг кремниевых нанокристаллитов как в процессе анодной электролитической обработки, так и при дополнительном частичном прокислении ПК [195]. Первый случай описан еще Меммингом и Швандтом [21] и относится к случаю малой концентрации плавиковой кислоты в электролите. Электрохимические и химические реакции в этих условиях могут быть записаны Si + 2H2O + 2h+ Si(OH)2 + 2H+, (3.3) Si(OH)2 + 2H2O Si(OH)4 + H2, (3.4) Si(OH)4 SiO2 +2H2O. При высоких анодных потенциалах может наблюдаться (3.5) следующая последовательность реакций Si + 4H2O + 4h+ Si(OH)4 + 4H+, (3.6) Si(OH)4 SiO2 +2H2O.

(3.7) Результатом реакций (3.3)-(3.5) и (3.6)-(3.7) является формирование тонких пленок SiO2, которые покрывают как поверхность ПК, так и внутренние стенки пор, что обнаруживается при эллипсометрических измерениях и при изучении инфракрасных спектров поглощения ПК [196-198]. в Установлено SiO2, [196, 199], что кремниевые в нанокристаллиты, погруженные наиболее вероятно возникают приповерхностных областях ПК или в пористых слоях небольшой толщины. Оксидная оболочка кремниевых нанокристаллитов может быть получена дополнительным при частичным прокислением ПК при хранении в естественных условиях [200], термической обработке [201-203 и др.], при анодном или плазменном окислении [204205], при подсветке во время анодного электрохимического травления [206], методом фотоокисления [207] и т.д. Установлено, что окислительные процессы способствуют уменьшению концентрации поверхностных ловушек в ПК, но приводят к появлению новых ловушечных уровней в объеме нанокристаллитов [208]. В работе [209] рассмотрена модель, в которой оболочка SiO2 покрывает другие продукты электрохимических реакций, осажденных на стенках пор. Процессы переноса носителей заряда в таких структурах связаны с перескоками носителей между кремниевыми нанокристаллитами, что показано Демидовым и соавторами [210] при изучении ВАХ, Балбергом [151] при исследовании шумовых характеристик и т.д. Подвижность носителей заряда для ПК 4-й группы имеет очень широкий диапазон от 10 до 10-5 см2/Вc [182, 211-213 и др]. Относительно высокие значения подвижности - 10 см2/Вс характерны для переноса по среде, близкой по свойствам к -Si:H (разд.2.4).

Низкие значения подвижности наблюдались в ПК с нанокристаллитами, погруженными в SiO2 [214], когда методом измерения времени пролета изучалась дрейфовая подвижность в частично окисленном ПК. Отметим, что приведенная классификация (рис.3.2, табл.3.1) является заведомо упрощенной. Здесь в ряде случаев опущены такие важные моменты, как трехкомпонентная структура ПК (кремний + поры + продукты электрохимических реакций), зависимость проводимости ПК от присутствия ионов на поверхности пор [215216 и др.], наличие ловушек в материале, которые в рамках каждой группы могут оказывать определенное влияние на характер переноса носителей. Кроме того, следует учитывать, что, в силу неоднородности процессов анодного травления, возможно появление в ПК локальных областей, относящихся к соседним группам, а также появление слоев ПК с разными электрическими свойствами по толщине. Интересно сопоставить электрические свойства ПК со свойствами других пористых полупроводников. В разд.2.4.3 отмечалось, что дрейф носителей в пористых SiC и GaAs имеет общие закономерности с переносом в ПК [170,217]. Экспериментальные исследования показали, что существенными особенностями электрических свойств обладают лишь пористые слои аморфного кремния с высоким содержанием (до 1022 см-3) примесей Mn или Fe [218]. В таких материалах вследствие топологического беспорядка длина свободного пробега мала и составляет несколько межатомных расстояний. Это, с одной стороны, много меньше поперечных размеров областей аморфного кремния, а с другой стороны, много больше длины волны де Бройля (1 нм). Поэтому в таких объектах не проявляются эффекты размерного квантования и приграничного рассеяния, что приводит к наблюдению классических размерных явлений [218-221], не характерных для ПК. Электрические свойства пористого кремния Табл.3. Группа 1 Свойства обедненных областей Обедненные области слабо выражены или отсутствуют Обедненные области соседних пор не перекрываются Характер проводимости при 300К Проводимость по кремниевой матрице в соответствии с теорией эффективной среды в модели “Si + воздух”. ПК/МК =1,2-1,7 Проводимость по необедненным участкам кремниевой матрицы согласно теории эффективной среды в модели “Si+ (воздух +обедненные области)”. ПК/МК =1,6-15. Проводимость по обедненной кремниевой матрице в модели флуктуирующего потенциального рельефа. ПК/МК 108. Проводимость по межкристаллитной среде и (или) проводимость путем межкристаллитных перескоков. ПК/МК 1011. Температурная зависимость проводимости Как у исходного кремния Та же Обедненные области охватывапют все межпоровое пространство Обедненные носителями нанокристаллиты кремния различной фрактальной размерности окружены продуктами электрохимических реакций Активационный характер проводимости с различной энергией активации, не подчиняющейся правилу Мейера-Нелдела Активационный характер проводимости с различной энергией активации, подчиняющейся двум правилам Мейера-Нелдела 3.2.Электрические свойства контакта пористого кремния с металлами Предложенная классификация электрических свойств ПК позволяет не только описать процессы переноса носителей заряда в пористых слоях с различными структурными характеристиками, но и объяснить экспериментально наблюдаемое многообразие свойств переходов ПК/металл и ПК/МК [6A]. Действительно, переходы ПК/металл некоторые исследователи рассматривают как выпрямляющие [122,132,222224], другие приписывают им омический характер [82,88,124,141,143,144,225]. Аналогичная ситуация имеет место при анализе перехода ПК/МК: известны работы, где переход является выпрямляющим [86,122,143,166,226-229], и работы, где выпрямления на границе нет [132,230,231]. Наиболее полная подборка экспериментальных данных приведена в обзоре [232]. Результаты этого обзора свидетельствуют, что единый подход к анализу экспериментальных результатов отсутствует, затрудняя возможность обсуждения данных, особенно для многослойных пористых структур. На основании приведенной классификации можно говорить о том, что ПК различных групп обладает принципиально разными электрическими свойствами. Как следствие, в создаваемых многослойных структурах контакты пористого материала с металлами и исходными монокристаллическими подложками могут иметь или выпрямляющий или омический характер. Достаточно легко прогнозировать свойства контакта металл/ПК для пористых слоев из 1-3 групп, рассмотренные ниже на примере алюминиевой металлизации. В этом случае могут быть применены положения теории создания омических или выпрямляющих контактов Al к кремнию с различной концентрацией носителей заряда [118,233]. Известно, что на границе алюминия и кремния с разным типом проводимости всегда возникает потенциальный барьер, вследствие чего переход является выпрямляющим. Однако в случае высокого уровня легирования кремния (более 51017 cм-3) барьер становится узким, и за счет процессов эффективного туннелирования переход алюминий/кремний становится невыпрямляющим (омическим). Контакты алюминия с ПК 1-й группы вследствие высокой концентрации носителей в монокристаллической матрице пористого материала являются омическими;

более того, за счет развитой эффективной поверхности ПК переходные сопротивления контактов оказываются значительно меньше переходных сопротивлений контактов алюминий/кремний, полученных в аналогичных условиях. Переходы алюминий/ПК для пористых материалов 2-й группы могут иметь как выпрямляющий, так и омический характер в зависимости от соотношения на интерфейсе площадей низкоомных и высокоомных областей кремния. При временах анодной обработки, достаточных для возникновения сплошного приповерхностного обедненного слоя, контакты Al/PS2 обладают выпрямлением. Такие же выпрямляющие свойства из-за процессов обеднения в кристаллической матрице типичны для контактов алюминий/ПК 3-й группы. Для ПК 4-й группы можно предсказать квазиомическое поведение контактов Al/ПК. Во-первых, именно такое поведение характерно для контактов Al/a-Si:H. Экспериментально показано [234,235], что переходы Al/a-Si:H даже после незначительной термообработки (170-250С) вследствие наблюдаемого питтинга и приповерхностной кристаллизации аморфного гидрогенизированного кремния являются невыпрямляющими. Поэтому, в том случае, когда ПК 4-й группы содержит фазу аморфного кремния, контакты Al/PS4 являются квазиомическими. Во-вторых, на поверхности ПК с высокой пористостью имеет место высокая плотность поверхностных электронных состояний [88,143], приводящая к потере выпрямляющих свойств металлических контактов. В-третьих, отсутствие заметного выпрямления может быть объяснено относительно малым падением напряжения на переходе. При аномально высоком удельном сопротивлении пористого слоя практически все подаваемое на структуру напряжение будет приходиться на слой ПК, в результате чего падение напряжения на контакте металл/ПК будет малым, и в этом случае даже выпрямляющий характеристикой. Данный подход получил в дальнейшем Исследования относящимися электрических к различным свойств группам, экспериментальное подтверждение. Al/ПК с пористыми слоями, хорошую работоспособность контактов показали переход будет обладать практически линейной вольтамперной предложенной модели. Здесь необходимо сделать важное замечание. Известно, что процессы порообразования в кремнии могут сопровождаться формированием на поверхности аморфной пленки кремния, поэтому наличие либо отсутствие данной аморфной пленки может существенно изменить свойства контактов. Нужно учитывать, что на поверхности ПК 2-й и 3-й групп за счет диффузии водорода может образовываться тонкий обедненный слой. Кроме этого, термообработка ПК способна сильно влиять на концентрацию носителей заряда в пористом слое и электрофизические свойства контактов могут зависеть от температурных режимов создания многослойных структур. Свойства контактов Al/ПК для образцов групп PS1, PS2, PS3 и PS4 частично рассматривались в разд.2 и их описание будет продолжено в разд.4. В данном разделе, в качестве примера, остановимся на описании параметров контактов Al/PS1 и Al/PS2. 3.2.1. Омический характер контактов к пористому кремнию первой группы Экспериментальное исследование свойств контактов Al/PS1 было проведено на пористом кремнии, описанном в разд.2.1. Исходными подложками служили пластины кремния КЭС-0,01 ориентации (111). Анодирование проводилось в 48% водном растворе HF при плотности анодирования j=10 мА/см2. Увеличение времени анодной обработки ta от 10 до 60 минут приводило к увеличению толщины слоя ПК от 20 до 70 мкм и росту весовой пористости от 8 до 16%. Для изучения роли поверхностной аморфной пленки (ПАП) в процессах формирования контактов на образцах-свидетелях проводилось плазмо химическое удаление данной пленки. На поверхность исследуемых образцов ПК методом вакуумного напыления через маску наносились алюминиевые контактные площадки, которые вжигались в инертной среде при температуре 300С в течение 20 минут. Расположение и размеры площадок соответствовали геометрии методики Коха-Стрека [236]. Квадратные контактные площадки размерами 1х1 мм2 располагались в одну линию на одинаковом расстоянии друг от друга, равном 1 мм (рис.3.3,б). По методике КохаСтрека на контакты 0-1, 0-2, 0-3 и т.д. последовательно помещались два зонда, при помощи которых проводилось измерение ВАХ каждой пары контактов, и на основании обработки полученных ВАХ определялось переходное сопротивление контактов. Типичные ВАХ исследуемых контактов Al/ПК/Al приведены на рис.3.3,а. Они характеризуются строгой линейной зависимостью, что, с одной стороны, свидетельствует об омичности исследуемых контактов, а с другой стороны, позволяет к данным структурам применить методику расчета переходных сопротивлений. Согласно методике Коха-Стрека на основании измеренных ВАХ вычислялось электрическое сопротивление для каждой пары контактов (R), которое откладывалось на графике зависимости R(l), где l - расстояние между контактами в относительных единицах. За одну относительную единицу выбрано расстояние между двумя ближайшими контактными площадками. Такая зависимость показана на рис.3.3,в и представляет собой прямую линию, пересечение которой с вертикальной осью дает удвоенное значение переходного сопротивления контакта Al/ПК (Rк) для одной площадки площадью Sк = 1 мм2. Величина удельного переходного сопротивления контактов к определялась по формуле к = Rк Sк.

(3.8) Результаты измерения переходных сопротивлений для серии образцов при наличии и отсутствии ПАП приведены в табл.3.2. Следует отметить, что для определения величины переходных сопротивлений дополнительно был использован метод “переключающегося контакта” [237], который предполагает измерение ВАХ ближайших четырех контактных площадок при помощи четырех зондов. Оба используемых метода в конечном итоге дали одинаковые результаты. Как следует из Рис.3.3. ВАХ для различных пар контактов Al/PS1 в методике Коха-Стрека. ПК получен на пластинах КЭС-0,01, j= 10 мА/см2, ta=20 мин (а). Геометрия измеряемых структур (б). Зависимость электрического сопротивления тестовой структуры для каждой пары контактов от расстояния между ними (в).

данной таблицы при малых временах ta влияние ПАП на электрические характеристики контакта практически не сказывается, в то время как для ta = 60 мин переходное сопротивление контакта с ПАП увеличилось на порядок по сравнению с образцом после плазмо-химического травления ПК. Это свидетельствует о том, что ПАП возникает не при всех режимах электрохимической обработки, и электрические свойства этой пленки определяются временем процесса формирования пористой структуры. Переходные сопротивления контактов Al/PS1 Табл.3.2 Номер образца 1 ta, мин 10 Пористость, % 8 есть нет 2 30 ПАП к, Омсм 7,410-3 7,310-3 1,310-2 1,010-2 2,810-2 1,710-2 1,210-1 1,110-2 (1-3)10- есть нет есть нет есть нет МК нет Данные, приведенные в таблице, показывают, что переходные сопротивления алюминиевых контактов к слою пористого кремния оказались на порядок ниже переходных сопротивлений контактов Al/МК, полученных в таких же режимах. Это позволило нам предложить способ изготовления низкоомных контактов к кремнию (патент РФ 2065226), когда для улучшения параметров алюминиевых контактов используется операция создания тонких слоев ПК с невысокой пористостью. Физическая основа данного способа заключается в следующем. В исследуемых слоях ПК не происходит процессов обеднения носителями заряда, что подтверждается холловскими измерениями (разд.2.1). С другой стороны, за счет создания пористой структуры увеличивается “геометрическая” площадь контакта [238], в результате чего сопротивление контакта уменьшается. Для создания низкоомных контактов перспективным следует считать электрохимическое осаждение металла на поверхность ПК, когда за счет более эффективного проникновения металла в поры геометрическая площадь контактов значительно увеличится [239-241]. 3.2.2. Выпрямление на контакте алюминий / пористый кремний 2-й группы Изучение свойств контактов Al/PS2 проводилось на тестовых структурах, описанных в предыдущем разделе, по методике Коха-Стрека и методике “переключающегося контакта”. Опишем экспериментальные результаты на примере методики “переключающегося контакта” [237]. Согласно этому методу определение омичности контакта и вычисление переходных сопротивлений производилось следующим образом. На ближайшие четыре контактные площадки устанавливались прижимные зонды и через крайние контакты 1 и 4 пропускался ток i. На двух внутренних контактах снималось падение напряжения U, и линейный (нелинейный) характер зависимости U(i) свидетельствовал об омичности (неомичности) исследуемых контактов. В случае линейной ВАХ определение переходного сопротивления одной контактной площадки проводилось по формуле Rк = (U1-U) / i, (3.9) где U1 - падение напряжения на внутренних контактных площадках при пропускании тока i через вторую и четвертую контактные площадки. Измерения проводились на образцах ПК толщиной 20-90 мкм, полученных на пластинах КЭФ-4,5 ориентации (100) и описанных в разделе 2.2. Алюминиевые контактные площадки были сформированы методом термовакуумного напыления и отожжены при температуре 300С в инертной среде в течение 20 минут. Типичные ВАХ U(i) для исследуемых тестовых структур приведены на рис. 3.4,а и имеют нелинейный характер. Данный эффект может быть объяснен либо неомичностью исследуемых контактов либо шунтирующим влиянием подложки. Нельзя забывать о том, что контакты нанесены на двухслойную структуру ПК/МК, а подложка более низкоомна, чем слой ПК. Анализ полученных ВАХ с точки зрения двухслойной структуры образца показал, что при соотношении ПК/МК = 1,6-15 нелинейные изменения ВАХ должны носить менее выраженный характер по сравнению с наблюдаемыми экспериментально. Поэтому нелинейность U(i) в данном случае связана с неомичностью исследуемых контактов.

Рис.3.4. Нелинейный характер зависимости U(i) для контактов Al/PS2/Al в методике “переключающегося контакта” (а). Линейная зависимость ВАХ для этих же контактов в области малых токов (б). ПК получен на пластинах КЭФ-4,5, j= 10 мА/см2. 1 - ta=50 мин, 2 - ta=40 мин, 3 - ta=20 мин.

Исследуемые ВАХ имеют достаточно протяженный начальный линейный и объясняются незначительной участок, что продемонстрировано на рис.3.4,б. Такие зависимости характерны для начального участка ВАХ барьеров Шоттки [118] нелинейностью сопротивления структуры вблизи нулевой точки. Линейный участок ВАХ для исследуемых образцов имел место для малых величин плотности тока через контакт (менее 5 мА/мм2). Проводя измерения в этой области, были вычислены переходные сопротивления контактов Al/PS2. Они оказались равными 0,2-1,8 Омсм2. Эти значения оказались выше по сравнению с данными для контактов Al/PS1 (табл.3.2), что находится в хорошем согласии с теорией контакта Al/Si [118,242]. Согласно этой теории, величина удельного контактного сопротивления Al/Si зависит от концентрации носителей ND в кремнии, и чем она больше - тем ниже сопротивление контакта к exp [C/ ND1/2].

В формуле (3.10) С - константа, - высота барьера на границе Al/Si.

(3.10) Изучение свойств контактов Al/PS2 в температурном интервале 295-370К свидетельствовало о том, что величины переходных сопротивлений уменьшались с ростом температуры. Это изменение в указанном диапазоне температур составляло для различных структур от 5 до 9 раз. Таким образом, результаты данных измерений показали, что контакт алюминия с пористым кремнием 2-й группы в общем случае является выпрямляющим. Это нашло свое дальнейшее подтверждение при анализе ВАХ структур Al/PS2/Si/Al, что будет описано в разделе 4. Квазиомическое поведение контакта можно рассматривать лишь в области малых токов через контакт. Аналогичные результаты были получены для контакта Al/PS3: такие контакты также являются выпрямляющими, но в области малых токов через контакт они описываются как квазиомические, и при предварительном удалении поверхностной аморфной пленки имеют переходные удельные сопротивления 17- 130 Омсм2. Контакты Al/PS4 экспериментально показали себя как омические с величиной к = 50-150 Омсм2 [38A-40A,49A,53A]. 3.3. Свойства границы пористый кремний / кремний Переход ПК/МК естественным образом формируется в ходе электрохимической обработки кремниевых пластин и постоянно присутствует в приборах с пористыми слоями, в том числе и в многослойных пористых структурах [243,244]. Слой ПК может быть отделен от подложки в процессе анодирования при резком кратковременном увеличении тока [245,246 и др.], однако такой подход нашел свое применение только для исследовательских целей, когда необходимо исключить из рассмотрения материнскую кремниевую пластину. Электрические свойства перехода ПК/МК могут быть различны в зависимости от электрофизических параметров ПК. Исходя из теоретических основ [118,247] работы контакта полупроводников с разным уровнем легирования, гетеропереходов и диодов, можно предсказать наличие или отсутствие выпрямления на этой границе для пористых слоев разных групп, что нашло в дальнейшем свое экспериментальное подтверждение. Для ПК 1-й и 2-й групп, полученных на подложках n-типа, выпрямление на переходе ПК/монокремний отсутствует. Это связано с неизменностью концентрации электронов в кремниевой матрице для ПК 1-й группы и образованием невыпрямляющих переходов n-n- для cтруктур с пористым материалом 2-й группы. Для ПК 3-й и 4-й групп граница ПК/монокремний в общем случае обладает заметным выпрямлением. Особенно ярко это проявляется для ПК 3-й группы, полученного на подложках p-типа проводимости, и для ПК 4-й группы. Для ПК 4-й группы это обусловлено тем, что при высоком показателе пористости в результате больших изменений в химическом составе существенно изменяются электронные свойства материала;

в случае кристаллитов малых размеров дополнительно увеличивается ширина запрещенной зоны для наночастиц ПК вследствие квантовых размерных эффектов [189 и др.]. Если в объеме ПК присутствует фаза a-Si:H, то выпрямляющие свойства переходов a-Si:H/Si хорошо известны [174,248]. В общем случае на границе ПК/МК может происходить формирование как изотипных, так и анизотипных выпрямляющих переходов. В то же время возможны ситуации, для которых сильное выпрямление на границе для ПК 3-й и 4-й групп может отсутствовать. Такие случаи могут наблюдаться для ПК 3-й группы, полученных на подложках p-Si после термообработки 500-550С, для ПК 4-й группы при малых смещениях на гетеропереходе и т.д. На рис.3.5 для примера показана ВАХ структуры Al/PS1/Si/Al, измеренная при комнатной температуре в интервале смещений 0,1 В. ВАХ характеризуется строгой линейной зависимостью при двух полярностях внешнего напряжения. Это означает отсутствие выпрямления на границе Al/PS1 и PS1/Si, что теоретически обосновано выше. На рис. 3.6 приведена типичная ВАХ структуры Al/PS2/Si/Al, содержащей макропористый кремний PS2 и кремниевую подложку КЭФ-4,5. ВАХ такой структуры Рис.3.5. Типичные линейные ВАХ структуры Al/PS1/Si/Al. Si: КЭС-0,01. 1 - j= 10 мА/см2, ta =20 мин;

2 - j= 15 мА/см2, ta =40 мин;

3 - j= 15 мА/см2, ta =60 мин.

Рис.3.6. ВАХ структуры Al/PS2/Si/Al. Si: КЭФ-4,5;

j=10 мА/см2, ta=20 мин. Прямое смещение соответствует подаче + на металл со стороны ПК.

имеет выпрямительный характер и хорошо описывается работой одного барьера Al/PS2. Подробное описание таких ВАХ и вычисление параметров барьеров будет дано в разд.4. ВАХ структур Al/PS3/Si/Al были приведены в разд.2.3 и для их описания была применена модель с двумя барьерами на границе Al/PS3 и PS3/Si. В структурах удалось подавить (разд.2.4) выпрямление на Al/PS4/Si/Al c толстыми слоями ПК границе PS4/Si, в результате чего наблюдались практически симметричные ветви ВАХ для обеих полярностей. Приведенные примеры показывают, что предложенные модели электрических свойств ПК и барьерных структур ПК/МК, металл/ПК достаточно хорошо описывают многообразие электрических свойств пористого материала и многослойных структур на его основе. Свойства переходов ПК/МК и Al/ПК сведены в таблице 3.3 [6A,20A,38A-40A, 43A]. Наиболее вероятные свойства контактов пористого кремния с алюминием и монокристаллическим кремнием Табл.3.3 Группа 1 2 3 4 Контакт Al/ПК Невыпрямляющий Выпрямляющий Выпрямляющий Невыпрямляющий Величина переходного сопротивления, Омсм2 710-3 - 0,12 0,2-1,8 17-130 50-150 Контакт ПК/МК Невыпрямляющий Невыпрямляющий Выпрямляющий Выпрямляющий Результаты табл.3.1 и 3.3 свидетельствуют о том, что подбор соответствующих режимов анодной электрохимическоой обработки позволяет создавать пористые слои с заданными электрическими свойствами. Начиная от применения слоев ПК 1-й группы (низкоомный подслой для алюминиевой металлизации, буферный слой для эпитаксии различных полупроводников на кремнии с большим рассогласованием кристаллических решеток) и заканчивая использованием ПК 4-й группы (люминесцентные и фотоприемные структуры), можно решать задачи по разработке приборов различного назначения. Наши дополнительные измерения показали, что ПК различных групп индивидуально откликается на различные виды внешних воздействий: электронное облучение, термический отжиг и т.д. Многообразие электрических свойств ПК определяет широкий спектр электрических параметров контактов пористого слоя с металлами и монокристаллическим кремнием. Поэтому при исследовании процессов переноса носителей в многослойных структурах с ПК необходимо учитывать все особенности, которые может иметь пористый материал в данном конкретном случае.

Кроме этого, наличие потенциальных барьеров в структуре еще не означает, что все они будут проявляться, поскольку подаваемое на структуру напряжение будет перераспределяться между всеми элементами схемы и некоторые переходы будут находиться в линейной области вольтамперной характеристики вблизи нулевой точки.

Выводы по главе 3 1. На основании комплексного изучения электрофизических параметров ПК с различной морфологией пор и анализа имеющихся литературных данных предложена классификация электрических свойств ПК, в основу которой положены различия в морфологии пор и в образовании обедненных областей вокруг пор. Согласно данной классификации ПК может быть поделен на четыре группы (PS1-PS4), каждая из которых обладает индивидуальным набором электрических свойств и своим механизмом транспорта носителей. 2. Проведена классификация электрических свойств переходов Al/ПК. Показано, что контакт алюминия с каждой группой (PS1-PS4) пористого материала описывается своими физическими моделями, основанными на теории перехода Al/Si с разным уровнем легирования. Описаны возможности формирования выпрямляющих и невыпрямляющих алюминиевых контактов к слоям ПК, приведены величины переходных сопротивлений. Предложен способ создания низкоомных контактов к кремнию посредством использования пористых слоев. 3. На основе предложенной классификации электрических свойств ПК рассмотрены электрические характеристики перехода ПК/МК. Показано, что на границе ПК/МК при использовании пористого материала различных групп могут иметь место физические явления, приводящие к возникновению как выпрямляющих, так и невыпрямляющих свойств контактов.

4. Влияние термического отжига и электронного облучения на электропроводность пористого кремния с различной морфологией пор В данном разделе будут описаны экспериментальные результаты о влиянии кратковременного термического отжига в инертной среде [12A,29A] и облучения высокоэнергетичными электронами [3A,4A,9A,22A,39A] на электрические параметры ПК различных групп. Целью данных экспериментальных исследований явилось продолжение изучения физических процессов, происходящих в пористых структурах с различной структурой пор, анализ применимости предложенных ранее моделей для проводимости PS1-PS4 и поиск методов эффективного управления величиной удельного сопротивления пористых слоев при внешних воздействиях. Это тем более важно, что детальное изучение влияния термического отжига на электрическое сопротивление ПК ранее практически не проводилось, а исследования радиационной обработки ПК касаются, в основном, облучения низкоэнергетичными частицами. 4.1. Изохронный термический отжиг пористого кремния в инертной среде Влиянию термических воздействий на структурные, оптические и люминесцентные свойства ПК посвящено большое число работ. Это связано с интенсивно проводившимися в 80-е годы разработками методов создания КНИ-структур на основе ПК [249] и поиском путей стабилизации излучательных характеристик пористых слоев [250,251] после открытия Кэнхэмом эффективной фотолюминесценции ПК в видимой области [188]. Анализ имеющихся литературных данных показывает, что термообработка ПК в вакууме или инертной среде приводит к двум основным группам явлений: к десорбции химических соединений, находящихся на стенках пор, и к изменению структурных характеристик пористого материала. Методами инфракрасной спектроскопии, ВИМС и термо-десорбционной спектрометрии показано, что явление десорбции связано с выходом воды, водородо- и углеродосодержащих молекул [252254]. Эти процессы происходят в температурном интервале 300-600С и каждое химическое соединение имеет свои температурные интервалы десорбции [255,256]. Установлено [257], что некоторые различия в температурных интервалах десорбции конкретных соединений могут быть связаны с различными скоростями нагрева исследуемых слоев ПК. Процессы десорбции газов при отжиге в вакууме сопровождаются депассивацией “болтающихся” кремниевых связей на стенках пор, что подтверждается данными электронного парамагнитного резонанса [258]. Существенные изменения структуры ПК происходят в температурном интервале 700-1200С [259,260] и связаны с “захлопыванием” пор и образованием изолированных микропустот. Движущей силой такого процесса является стремление материала к минимуму поверхностной энергии, а перестройка структуры осуществляется за счет диффузии кремниевых атомов по стенкам пор. Было обнаружено [259, 261], что изменения структуры могут начинаться уже после 1 часа отжига при 450С, а предварительная обработка в кислородосодержащей среде при 300С (1 час) полностью исключает процессы перестройки структуры даже после отжига 800С. Такой двухстадийный отжиг использован авторами [262] для предотвращения спекания нанопористой структуры при высокой температуре. Данные примеры свидетельствует о том, что при планировании экспериментов по изучению влияния термической обработки слоев ПК на их электрические параметры необходимо подобрать такие режимы, которые приводили бы к минимальным изменениям структуры пористого материала. В этом случае (при безусловном контроле структурных параметров) можно было бы принимать во внимание только десорбционные процессы в ПК, что значительно упрощает анализ получаемых экспериментальных результатов. Температурная обработка исследуемых образцов ПК проводилась следующим образом. Слои PS1 - PS4 предварительно отжигались в инертной среде аргона 300С (20 мин) и выдерживались в атмосфере воздуха при комнатной температуре в течение 3-6 месяцев для стабилизации химического состава адсорбата на стенках пор [254,263]. Согласно данным работы [263] предварительная выдержка ПК на воздухе значительно замедляет окислительные процессы при последующей термообработке в окислительной среде. После этого проводился кратковременный изохронный отжиг (8 мин) в интервале 450-550С шагом 50С в инертной среде аргона в однозонной диффузионной печи СДОМ при расходе газа 100 л/час. Выбор данного интервала температур обусловлен тем, что именно в данном диапазоне происходят характерные явления, связанные с созданием (разрушением) электрически активных комплексов в кремнии. Кроме этого, в интервале 450-550С еще не происходит структурных изменений в ПК. Для слоев PS2, не содержащих алюминий на поверхности, для проверки гипотезы о пассивирующем действии водорода дополнительно проводился отжиг при температуре 650С. После каждой термообработки образцы выдерживались в естественных атмосферных условиях в течение одних суток и после этого проводилось измерение электрических параметров ПК. Известно, что обработка в атмосфере аргона при данных условиях не вызывает изменения структуры ПК, тогда как при более высоких температурах отжига (1100С) и при выдержке в аргоновой плазме (до 180 мин) могут происходить существенные изменения структурных параметров пористого материала [264]. Поскольку пористые слои PS1-PS4 имеют разную величину электропроводности и различные электрические свойства контактов с металлами и монокремниевой подложкой, то для определения удельного сопротивления применялись различные методы. Были использованы классический четырехзондовый метод, измерение ВАХ структур Al/ПК/МК/Al с барьерами на границах, слоями. Контроль структурных характеристик ПК до и после отжига осуществлялся методом измерения V(z)-кривых, чувствительных к изменению величины пористости (разд.1.3), методами рентгеновской дифрактометрии (содержание аморфной фазы), методом ВИМС (содержание оксидных фаз) и методом электронной микроскопии. При этом в рамках чувствительности каждого метода не было обнаружено изменений величины пористости, параметров существующих фаз, размеров пор. Это связано, по нашему мнению, во-первых, с предварительной стабилизацией свойств образцов, а вовторых, с малыми временами отжига. 4.1.1. Отжиг образцов PS1 Возможные изменения удельного сопротивления образцов ПК 1-й группы после термической обработки контролировались четырехзондовым методом [265,266]. На поверхность двухслойной структуры со стороны пористого слоя опускались четыре зонда и через два крайних пропускался ток I1,4, а с двух внутренних снималось падение напряжения U2,3. Для однородных полупроводниковых образцов толщины d вычисление величины удельного сопротивления материала проводится по различным формулам в зависимости от геометрических размеров образца. В случае тонких пластин d<0,4L, где L- расстояние между зондами, вычисление величины удельного сопротивления проводят при помощи формулы измерение ВАХ тестовых структур с толстыми пористыми = 4,53 d U2,3 / I1,4.

(4.1) В двухслойном образце ПК/МК ток будет протекать по обоим слоям структуры и возможные изменения проводимости слоя ПК можно оценить по формуле (dМК / МК + dПК / ПК)-1 = 4,53 U2,3 / I1,4, (4.2) где dМК и dПК - толщины слоев МК и ПК, а МК и ПК - их величины удельного сопротивления. В качестве PS1 были использованы слои ПК, описанные в разд.2.1. Типичные экспериментальные зависимости U2,3 (I1,4) для двухслойных структур ПК/МК в исходном состоянии и подвергнутых отжигу приведены на рис. 4.1. Здесь же для сравнения представлены аналогичные зависимости для однородных кремниевых пластин КЭС-0,01. Экспериментальные графики имеют вид прямых линий, сходящихся в нулевой точке, что является одним из критериев применимости четырехзондового метода. В пределах погрешности измерений не было выявлено изменений зависимости U2,3 (I1,4) при термообработке как для кремниевых пластин, так и для двухслойных структур. Это свидетельствует о том, что при данных режимах отжига не происходит изменений величин удельного сопротивления для кремниевых пластин КЭС-0,01 и слоев ПК 1-й группы. Оба эти факта имеют теоретическое обоснование. Известно, что в кристаллах кремния с высокой концентрацией примеси (в пластинах КЭС-0,01 концентрация примесных атомов составляет 41018 см-3) кратковременная термообработка в интервале 300-550С не вызывает заметных изменений концентрации носителей заряда (см., например, [267]). Влияние процессов, связанных с формированием или разрушением электрически активных дефектов и их комплексов при отжиге, оказывается незначительным по сравнению с начальной высокой концентрацией примесных атомов. Поэтому электропроводность сильно легированных кремниевых пластин сохраняет свои параметры при используемых режимах термической обработки. Если принять, что перенос носителей заряда в PS1 осуществляется по необедненной кристаллической матрице ПК в рамках теории эффективной среды, то очевидно, что изменение удельного сопротивления ПК 1-й группы при отжиге должно коррелировать с соответствующим изменением удельного сопротивления в кремниевой матрице. Действительно, согласно теории эффективной cреды [90] для пористого Рис.4.1. ВАХ U2,3 = f (I1,4) для двухслойной структуры PS1/МК (а) и пластины Si (б) в исходном состоянии и после финишного отжига 550С. ПК: j=10 мА/см2, ta= 40 мин. Величина ошибки показывает разброс значений для серии одинаковых образцов при многократных измерениях.

материала с цилиндрическими порами произвольного сечения с пористостью P при протекании тока перпендикулярно оси пор ПК = МК M = МК (1+P) / (1-P), (4.3) где M - константа. Таким образом, экспериментальный факт неизменности удельного сопротивления слоев PS1 при термических воздействиях, объясняется неизменностью величины электропроводности в кристаллической матрице ПК при отжиге и находится в полном согласии с предложенной моделью дрейфа носителей в PS1. 4.1.2. Отжиг образцов PS2 Исследование влияния отжига на электропроводность слоев PS2 проводилось двумя способами: на двухслойных структурах ПК/МК методом измерения и анализа общего сопротивления и на многослойных структурах Al/ПК/МК/Al методом измерения ВАХ. Характеристика исследуемых образцов приведена в разд.2.2, внешний вид двухслойных структур показан на рис.2.1. Поскольку изменения удельного сопротивления при отжиге могли происходить и в кремниевой подложке, то параллельно с отжигом двухслойных образцов проводились монокристаллического кремния КЭФ-4,5. Результаты измерений, выполненных на серии образцов при латеральном протекании тока в двухслойных структурах, представлены в таблице 4.1. Некоторые графические зависимости изменения удельного сопротивления приведены на рис.4.2. Температура отжига 300С на рис.4.2 соответствует температуре предварительного стабилизирующего отжига, и полученные в дальнейшем результаты по измерению удельного сопротивления сравнивались (неотожженное состояние) с данными, определенными после такой термообработки. Изменение удельного сопротивления слоев PS2 при изохронном отжиге Табл.4.1. Изменение удельного Отжиг 450С Отжиг 500С сопротивления ПК/0ПК 0,80 ± 0,15 0,63 ± 0,15 Отжиг 550С 0,84 ± 0,15 0,93 ± 0,05 Отжиг 650С 0,11±0,10 измерения удельного сопротивления МК/0МК 0,92 ± 0, 0,80 ± 0, 0,96±0, Рис.4.2. Влияние отжига на удельное сопротивление PS2. Образцы ПК получены при j=10 мА/см2, ta= 60 мин (1) и ta=40 мин (2). Кривая 3 соответствует изменениям удельного сопротивления при термообработке для исходного кремния КЭФ-4,5. Поверхность образцов 1 и 2 подвергнута плазмохимическому травлению. Ошибка эксперимента дана в табл.4.1..

Как следует из приведенной таблицы, при проведении отжига 450С наблюдалось незначительное уменьшение величины удельного сопротивления пористого кремния 2-й группы относительно неотожженного состояния 0ПК. Существенные изменения были характерны для температуры отжига 500С, при которой проводимость материала могла возрасти до двух раз. Отжиг 550С привел к увеличению удельного сопротивления PS2 до значений, приближающихся к величинам заметить, что аналогичная тенденция ПК до термообработки. Интересно прослеживается и при отжиге монокристаллического кремния, однако при этом уменьшение удельного сопротивления менее выражено. Резкое изменение проводимости PS2 произошло при отжиге 650С, когда удельное сопротивление пористого материала уменьшилось до значений, характерных для исходного монокристаллического кремния. Объяснение полученных результатов может быть проведено следующим образом. Известно, что при отжиге кремния с низкой концентрацией доноров может наблюдаться процесс увеличения электропроводности материала, связанный с появлением дополнительных электронов [267,268]. Для случая кислородосодержащего кремния (кремний, выращенный по методу Чохральского) это может быть связано с появлением термодоноров, которые наиболее эффективно образуются в температурных интервалах 350-500 и 650-800С [268-272]. Установлено, что увеличение концентрации электронов может при этом процессе составлять в зависимости от условий отжига 1013-1015 см-3, что сравнимо с концентрацией электронов в слабо легированном кремнии. Поэтому одной из вероятных причин небольшого уменьшения удельного сопротивления исходного монокристаллического кремния при отжиге можно считать именно образование кислородосодержащих термодоноров. Известно также [268,270,271], что при температурах выше 500С генерация термодоноров замедляется и происходит их распад. Именно этим фактом можно объяснить повышение удельного сопротивления (табл.4.1) монокристаллического кремния после отжига 550С. Более сильные по сравнению с монокремнием изменения проводимости для PS2 связаны с влиянием термического отжига на обедненные области. Как было показано в разд.2.2, концентрация носителей заряда в обедненных областях составляет 1013-1014 см. Это величины того же порядка, что и концентрация термодоноров. Поэтому в обедненных областях вокруг пор относительное изменение концентрации носителей будет больше, чем в необедненных участках кремниевой матрицы. Вследствие этого объем ПК, по которому происходит перенос электронов, будет увеличиваться, эффективная пористость будет уменьшаться, что и приводит к наблюдаемым явлениям уменьшения удельного сопротивления PS2 при отжиге 450 и 500С. Если принять, что образование обедненных областей вокруг пор происходит за счет частичной пассивации атомов фосфора водородом (разд.2.2), то образующиеся комплексы с участием кремния, фосфора и водорода являются термически стабильными в интервале 300-550С [272]. Это обеспечивает сохранение обедненных областей вокруг пор при отжиге в данном температурном интервале, чего не наблюдается для обедненных областей на основе комплексов бор-кремний-водород (разд.4.1.3). Известно, что распад комплексов P-Si-H происходит при температурах выше 600С. Поэтому резкое уменьшение удельного сопротивления ПК 2-й группы при отжиге 650С может быть объяснено эффектом полной депассивации примесных атомов фосфора, в результате чего материал приближается по величине электропроводности к исходному монокремнию. За счет малой величины пористости дополнительное увеличение удельного сопротивления при появлении непроводящих пустот невелико. Таким образом, представленные экспериментальные результаты по термообработке слоев PS2 показывают, что данная группа ПК относительно стабильна по своим электрическим свойствам в интервале температур отжига 450-550С, и при температурах выше 600С переходит в низкоомное состояние за счет ликвидации обедненных областей вокруг пор. Следующий этап исследований сводился к изучению влияния термического отжига на электрические параметры многослойной структуры Al/ПК/МК/Al. Для сравнительного анализа в некоторых тестовых структурах поверхностная аморфная пленка на ПК была удалена плазмохимическим травлением. Размеры контактных площадок составляли 5х5 мм2. На рис. 4.3 представлено изменение после отжига ВАХ исследуемых структур, содержащих поверхностную аморфную пленку на ПК. Прямое смещение соответствовало подаче положительного смещения на металл со стороны ПК. Для исходных неотожженных структур ВАХ была близка к линейной. Это объясняется существованием поверхностного аморфного слоя, на котором происходило основное падение напряжения, и, как следствие, возможные барьеры Al/ПК и ПК/МК не проявляли заметных выпрямительных свойств при работе вблизи нулевой точки. Оценка величины удельного сопротивления аморфного слоя привела к значениям 104-105 Омсм. После проведения изохронного отжига 450, 500, 550С ВАХ приобрели Рис.4.3. Типичные ВАХ (а) структуры Al/ПК/МК/Al, содержащей слой PS2 с пористостью 8%, в исходном состоянии (1), после отжига (2,3,5), после отжига и длительного хранения (4,6,7). Температура отжига, С: 2 - 450, 3, 4 - 500, 5-7 - 550. Длительность хранения, дн.: 4,7 - 20, 6 - 10. На вставке б - типичные зависимости ln j = f(U1) для переходов Al/ПК. Номера на вставке б соответствуют обозначениям для основного рисунка.

типичный диодный вид, характерный для функционирования в структуре одного барьера - перехода Al/ПК. Температурное “разрушение” диэлектрических свойств аморфной пленки проявилось для всех исследуемых образцов, что позволяет говорить о том, что термообработка короткое время в инертной среде при температурах 400-450С способствует переводу этой пленки в низкоомное состояние. Этот факт хорошо известен для контакта Al/a-Si:H [235] и объясняется стимулирующим действием алюминия при переходе тонкого приповерхностного слоя в кристаллическое состояние. Для анализа ВАХ была применена классическая эквивалентная схема, состоящая из барьера Шоттки и последовательного сопротивления базы диода, определяемого слоями ПК, МК и переходными сопротивлениями контактов Al/ПК и Al/МК. По линейному участку ВАХ в области больших смещений определялось сопротивление базы Rб, после чего производилось перестроение экспериментальных ВАХ в новых координатах I(U1), где U1 - падение напряжения на барьере Шоттки U1 = U - IRб. (4.4) В координатах ln I = f(U1) происходило спрямление вольтамперных характеристик (вставка б к рис.4.3), что, с одной стороны, позволяет говорить о работе только одного барьера в структуре после отжига, а с другой стороны, делает возможным определение высоты барьера на границе Al/PS2. Вычисление высоты барьера проводилось по методике [118] = (kT/q) ln (AT2 / js), где A электрона. - эффективная постоянная Ричардсона, (4.5) js - величина тока насыщения, определяемая линейной экстраполяцией зависимости ln I = f(U1) к U1=0, а q - заряд Величины сопротивления базы и потенциальных барьеров Al/PS2 для структур, ВАХ которых показаны на рис.4.3, приведены в таблице 4.2. Высота потенциального барьера Al/ПК рассчитывалась при значении постоянной Ричардсона A= 120 Асм-2 К-2, характерной для кремния n-типа проводимости [118]. Результаты таблицы свидетельствуют, что высота барьера Al/PS2 при проведении кратковременного термического отжига не изменяется и составляет 0,62-0,67 эВ. Эти колебания находятся в пределах ошибки эксперимента и поэтому не должны дополнительно анализироваться. Полученные величины высоты барьера находятся в хорошем согласии с величиной барьера Al/n-Si. По данным [118] для контакта алюминия и монокристаллического кремния с электронным типом проводимости высота барьера составляет 0,72 эВ. Другой важный вывод, вытекающий из табл.4.2, заключается в небольших изменениях сопротивления базы после отжига выше 450С и при длительном хранении. Поскольку в сопротивление базы входит сопротивление слоя ПК и дополнительно сопротивления контактов Al/ПК и Al/МК, то это свидетельствует об их относительной стабильности. принципиально другая Полученный вывод не так тривиален, как может сопровождающаяся процессами значительной показаться на первый взгляд. В следующем разделе на примере слоев PS3 будет показана ситуация, релаксации проводимости после отжига. Параметры структуры Al/ПК/МК/Al со слоем PS2 после термоотжига в интервале 450-550С Табл.4.2 Условия отжига и длительность хранения Исходное состояние 450С 500С 500С, 20 дн. 550С 550С, 10 дн. 550С, 20 дн. Сопротивление базы, Ом 910 30,7 17,6 16,7 16,8 19,9 22,1 Высота барьера, эВ 0,64 0,67 0,64 0,62 0,63 0, Измерения параметров контактов Al/ПК после отжига независимым методом переключающегося контакта подтвердили слабую зависимость этого параметра от температуры термообработки. Так, например, для PS2 с весовой пористостью 10% (время анодирования 60 мин, поверхностная аморфизированная пленка удалена в плазме) переходное сопротивление после отжига 450 и 500С составляло 1,5 и 1,0 Ом см2, соответственно.

4.1.3. Переход в низкоомное состояние и эффект релаксации проводимости при термоотжиге слоев PS3 Исследования по влиянию кратковременного термического отжига в инертной среде на электрические свойства слоев ПК 3-й группы проводились четырехзондовым методом, методом измерения эффекта Холла и методом анализа ВАХ многослойных структур Al/ПК/МК/Al. Слои ПК были сформированы на подложках КДБ-0,03 и имели пористость 16-30%. Характеристика изучаемых образцов приведена в разд.2.3. Измерения, учитывая высокую фоточувствительность структур, были выполнены в условиях затемнения. Весь комплекс проведенных исследований показал необычное поведение электрических параметров образцов PS3 при отжиге. Прежде всего следует отметить смену знака термоэдс в методе горячего зонда после отжига 500С. Если в исходном состоянии и после отжига 450С слои PS3 имели эффективный электронный тип проводимости, то при более высоких температурах термообработки слои стали обладать дырочным типом проводимости, характерным для исходных кремниевых подложек. Причины появления в ПК 3-й группы, сформированном на p-Si, эффективного электронного типа проводимости обсуждались ранее, и возвращение после отжига дырочного типа проводимости Подобная свидетельствует ситуация для о значительном p-типа увеличении концентрации дырок. кремния проводимости, облученного ионами водорода, описана в [273]. В этой работе показано, что в результате облучения тип проводимости кремния сменился на электронный, сохранился таковым при отжиге 450С (0,5-3 часа), а затем после высокотемпературного отжига 1100С возвратился к дырочному. В табл.4.3 для образцов всей серии сведены результаты по изменению удельного сопротивления в слоях PS3 при отжиге. Измерения проводились модифицированным четырехзондовым методом на двухслойной структуре. Учитывая наличие барьера на границе ПК/МК, шунтирующим действием подложки при малых токах оказалось возможным пренебречь. Если в исходном состоянии удельное сопротивление пористых слоев 0ПК рис.4.4. Таким образом, если при отжиге 450С удельное сопротивление PS3 уменьшилось в 2-50 раз, то при отжиге 500С это уменьшение составило (1-2)103 раз, а составляло 103-106 Омсм, то каждый последующий отжиг приводил к уменьшению величины ПК. Для некоторых конкретных образцов это показано на Рис.4.4. Влияние отжига на удельное сопротивление PS3. Образцы ПК получены при j=10 мА/см2, ta= 20 мин (1,1`) и ta=40 мин (2, 2`). Поверхность образцов 1 и 2 подвергнута плазмохимическому травлению..

при финишном отжиге 550С - (2-10)103 раз. При этом самые значительные изменения происходили в температурном интервале 450-500С. Обнаруженный нами эффект увеличения проводимости слоев PS3 на несколько порядков при термообработке 500550С впоследствии был описан также Балагуровым Л.А. в работе [87]. Достоинством работы [87] явилось то, что авторам удалось проследить изменение проводимости ПК и в низкотемпературном интервале 200-400С. Изменение удельного сопротивления слоев PS3 при отжиге Табл.4.3. Изменение удельного сопротивления ПК/0ПК Отжиг 450С 0,02 - 0,4 Отжиг 500С 0,0005 - 0,001 Отжиг 550С 0,0001 - 0, На рис.4.5,a приведены типичные ВАХ структур Al/ПК/МК/Al в исходном состоянии, после отжига и после хранения в естественных условиях. Прямому смещению соответствовала подача положительного потенциала на кремниевую подложку. Аморфная пленка с поверхности ПК не удалялась. Как видно из представленных зависимостей, в исходном состоянии (кривая 1) ВАХ характеризовалась небольшим выпрямлением и имела вид, типичный для подобных структур с аморфной пленкой на поверхности (разд.2.3). Образцы обладали относительно высоким сопротивлением, токи на прямой и обратной ветвях для всех исследуемых структур не превышали 15-600 мкА при напряжении 3 В. Отжиг при 450С привел к увеличению прямого тока в структуре. ВАХ структуры приобрела ярко выраженный диодный вид (кривая 2), коэффициент выпрямления при напряжении 1 В составил 10-60. Необычное поведение ВАХ наблюдалось после отжига 500 и 550С (прямые 3 и 6). После такой термообработки структуры Al/ПК/МК/Al переходили в низкоомное состояние со строго линейными симметричными ВАХ (см. вставку б). Полученные результаты находятся в хорошем соответствии с данными, полученными из четырехзондовых измерений. Однако неожиданным по сравнению с данными для для открытых слоев ПК явилось то, что после высокотемпературного отжига происходила релаксация проводимости пористого слоя. Из рис.1 (кривые 4, 7 и 5, 8) видно, что в течение нескольких дней после отжига наблюдались динамические изменения ВАХ, и структура стремилась вернуться к высокоомному свидетельствует состоянию о с восстановлением том, диодного что характера с ВАХ. Это течением Рис.4.5. ВАХ (а) структуры Al/ПК/МК/Al, содержащей слой PS3 с пористостью 20%, в исходном состоянии (1), после отжига (2,3,6), после отжига и длительного хранения (4,5,7,8). Температура отжига, С: 2 - 450, 3-5 - 500, 6-8 - 550. Длительность хранения, дн.: 4,7 - 10, 5,8 - 20. Обратные ветви при диодном характере проводимости находятся в заштрихованной области. б - ВАХ образцов 3 и 6 в области малых смещений, в - типичные зависимости ln j = f(U1) для переходов Al/ПК. Номера на вставках б,в соответствуют обозначениям для основного рисунка.

времени вновь происходит уменьшение концентрации носителей и, как следствие, появляются барьерные эффекты на границах Al/ПК и(или) ПК/МК. Измеренные ВАХ были проанализированы с точки зрения процессов токопрохождения в изучаемых структурах после проведения операции отжига. Известно, что в исходном состоянии PS3 проявляет эффективный электронный тип проводимости. Поэтому исходная структура может быть представлена в виде Al/n-ПК/p-МК/Al, которая хорошо анализируется в рамках двухбарьерной модели (разд.2.3). После отжига при температурах более 450С структура имеет вид Al/p-ПК/p-МК/Al. При малой величине пористости в изучаемых образцах изменения ширины запрещенной зоны в ПК по сравнению с кремнием не происходит. Поэтому границу ПК/МК можно рассматривать как невыпрямляющий p-p+ переход, и тогда экспериментальные ВАХ на основе анализа приложенной полярности определяются работой одного барьера на границе Al/ПК. В этом случае для вычисления электрических параметров структуры можно воспользоваться классической эквивалентной схемой, состоящей из барьера Шоттки и последовательного сопротивления, включающего в себя сопротивление слоев ПК, МК и контактные сопротивления на границах. Результаты расчетов для конкретного образца, ВАХ которого показана на рис.4.5, приведены в таблице 4.4. Параметры структуры Al/ПК/МК/Al со слоем PS3 после термоотжига Табл.4.4 Условия отжига и длительность хранения Исходное состояние 450С 500С 500С, 10 дн. 500С, 20 дн. 550С 550С, 10 дн. 550С, 20 дн. Сопротивление базы, Ом 4580 223 0,25 100 127 0,35 120 123 Высота барьера, эВ 0,66 0,65 0,65 0,64 0, Данные, приведенные в таблице, позволяют проследить динамику изменения проводимости ПК после отжига и свидетельствуют о том, что изменения наиболее выражены в первые 10 дней после термообработки. На вставке в к рис.4.5 приведены зависимости плотности тока j от величины напряжения на барьере Шоттки U1 (cм. разд.4.2) в координатах ln j = f(U1). В этих координатах наблюдалось спрямление ВАХ, что позволяет утверждать о работе только одного барьера в структуре после отжига и провести вычисление величины этого барьера. Вычисление высоты барьера Шоттки проводилось по формуле (4.5) при величине постоянной Ричардсона 30 Асм-2К-2 для pSi [118]. Для образца, описанного на рис.4.5, результаты приведены в табл.4.4. Высота потенциального барьера на контакте Al/ПК для всех исследованных образцов на подложках КДБ-0,03 составила 0,64-0,76 эВ, что близко к значениям высоты барьера для контакта Al/p-Si [118]. Величина коэффициентов идеальности для исследуемых барьеров Шоттки равнялась 1,3 -9,0. Объяснение всего комплекса экспериментальных результатов, наблюдаемых при отжиге, может быть проведено следующим образом. Очевидно, что главной причиной увеличения электропроводности PS3 при отжиге на несколько порядков является рост концентрации носителей заряда (дырок). В разд.2.3 были рассмотрены четыре рабочие гипотезы, ответственные за перевод электрически активных атомов бора в пассивное состояние в процессе формирования пористой структуры. При отжиге 500-550С происходит депассивация примесных атомов бора и интересно проанализировать, какая из гипотез способна наилучшим образом описать экспериментальные результаты. Если принять во внимание причину, связанную с процессами пассивации (депассивации) примесных атомов бора водородом, то известно, что при температурах выше 160С начинается разрушение [100] комплексов B-Si-H, наиболее интенсивное при температурах выше 450С [272], когда происходит эффективное разрушение связи Si-H, входящей в комплекс. Именно этим можно объяснить описанные Балагуровым и коллегами в [87] два температурных интервала (около 200 и 550С), где изменения проводимости наиболее существенны. Следует заметить, что на этих двух температурных участках наблюдается сильная термодесорбция водорода [254,274]. Поскольку процессы пассивации бора водородом могут достигать 99%, то понятно, что изменения проводимости при отжиге должны сопровождаться значительным (на несколько порядков) ростом этого параметра. Эффект релаксации проводимости в слоях ПК, закрытых пленкой металла, и его отсутствие в “открытых” образцах PS объясняются тем, что в первом случае водород не покидает объем материала, и с течением времени за счет диффузионных процессов вновь может пассивировать атомы бора. В открытых слоях ПК происходит уход водорода за пределы материала, в результате чего приповерхностный слой ПК сохраняет в течение нескольких лет свое низкоомное состояние. Таким образом, в рамках процесса пассивации бора водородом можно достаточно хорошо описать наблюдаемые экспериментальные результаты. Другие модели, применяемые для объяснения электрической пассивации атомов бора в PS3, не могут полностью описать весь комплекс явлений. Так, в подходе, связанном с увеличением энергии активации примесного атома в кристаллитах малого размера [137], проведение отжига должно приводить к десорбции химических соединений, находящихся на стенках пор, что должно вызывать уменьшение диэлектрической проницаемости среды в порах. В этом случае проводимость материала должна уменьшиться [137]. Кроме этого, оценки показывают, что изменение величины диэлектрической проницаемости среды в порах от 1 до 100 способно объяснить изменение проводимости не более чем на два порядка. Модель, связанная с переходом атомов бора в междоузлия [138], может объяснить эффект релаксации проводимости после отжига, но не в состоянии описать наличие двух температурных интервалов с максимальным изменением проводимости PS3. В модели, объясняющей пассивацию атомов бора за счет близкого расположения стенок пор [139], отсутствуют причины, способные привести к изменению удельного сопротивления пористого материала при отжиге. Значительное уменьшение величины удельного сопротивления слоев PS3 при отжиге привело к существенному изменению величины переходных сопротивлений контактов Al/ПК. На примере нескольких образцов это показано на рис.4.6. Переходные сопротивления в области малых смещений, измеренные методом переключающегося контакта, при термообработке уменьшились на 3-6 порядков в зависимости от наличия на поверхности аморфизированной пленки. При отжиге влияние аморфной пленки исчезало, что связано с уже рассмотренным ранее поведением перехода Al/a-Si:H при термообработке. После отжига при температуре 550С удельные переходные сопротивления контактов составили (2-3)10-3 Омсм2, что значительно меньше аналогичных сопротивлений для контакта Al/p-Si c уровнем легирования 1018 см-3 [118].

Рис.4.6. Зависимость переходного сопротивления контакта Al/PS3 от температуры отжига. ta : 1 и 1’ - 20 мин, 2 и 2’ - 40 мин. На образцах 1’ и 2’ плазмохимическое травление не проводилось.

Рис.4.7. Изменение параметров Ea и 0 после финишного отжига 550С. Темные значки соответствуют значениям до отжига, светлые - после отжига. Сектор 1 соответствует правилу Мейера-Нелделя для проводимости по распределенным состояниям в a-Si:H.

4.1.4. Влияние отжига на проводимость cлоев PS4 В ПК 4-й группы в общем случае возможны два механизма переноса носителей заряда: по оболочке продуктов электрохимических реакций, окружающих кремниевые нанокристаллиты, или посредством перескоков между нанокристаллитами. Как было показано в разд.2.4, исследуемые в данной работе слои PS4 содержат в своем объеме фазу аморфного кремния, и дрейф носителей осуществляется по обволакивающей кристаллиты среде, близкой по свойствам к аморфному гидрогенизированному кремнию a-Si:H. Поэтому интересно было проанализировать, насколько изменения проводимости в изучаемых слоях PS4 при отжиге будут соответствовать изменениям в a-Si:H. Изменение структурных [275,276] и электрических параметров a-Si:H при отжиге изучено достаточно хорошо, что объясняется необходимостью нагрева материала при формировании приборных устройств. Обзор литературных данных по влиянию отжига 300-600С на электрические свойства аморфного гидрогенизированного кремния показал, что в силу метастабильности подсистемы дефектов, зависящей от предистории тепловых воздействий, отсутствует единый закон изменения удельного сопротивления a-Si:H при термообработке. Так, Куровой И.А. и соавторами [277] показано, что для нелегированных пленок a-Si:H, выращенных на подложках из кварцевого стекла, темновая проводимость при комнатной температуре, предэкспоненциальный множитель 0 и энергия активации Ea в формуле (2.30) при отжиге до 520С не изменяются. В работе [278] для a-Si:H и в работе [272] для a-Si:H,P установлено, что при отжиге уменьшается, а Ea и 0 увеличиваются. Зеллама [279] для a-Si:H продемонстрировал при отжиге увеличение величины в тонком приповерхностном слое за счет эффузии из него водорода. В работах [277,280-282] показано, что при отжиге увеличивается, а Ea и 0 уменьшаются. Куровой И.А. и сотр. в [283] для компенсированных пленок a-Si:H установлен сложный закон изменения в разных температурных интервалах: в области малых температур отжига проводимость уменьшается, а при больших температурах отжига начинает возрастать.

В работе [284] на основании большого экспериментального материала выяснено, что характер изменения проводимости при отжиге зависит от температуры подложки при формировании слоя a-Si:H и при осаждении пленок при комнатной температуре при термоотжиге увеличивается, при температуре подложки 100С при термообработке практически не изменяется, а при температуре подложки 250С после отжига уменьшается.

Казанским А.Г. и Миличевым Е.П. [285] показано, что при отжиге в вакууме 10-3 Па слоев a-Si:H энергия активации до температур отжига 400С увеличивается, а затем в интервале температур отжига 400-500С не изменяется. Авторами [286] установлено, что характер изменения электропроводности аморфного гидрогенизированного кремния при вакуумном отжиге зависит от наличия дигидридных комплексов SiH2. Эти экспериментальные данные свидетельствуют о том, что процесс отжига метастабильных дефектов в a-Si:H носит сложный характер, и поэтому измерение только величины темновой проводимости в процессе изохронного отжига не является информативным. Исследования влияния отжига на электрические параметры слоев PS4 должны сопровождаться дополнительным анализом величин Ea и 0. Известно, что в большинстве случаев правило Мейера-Нелдела для a-Si:H при отжиге сохраняется, хотя известны случаи, когда отжиг сопровождается отклонениями [287] от этого правила. Исследования влияния отжига на электропроводность слоев PS4 проводились на образцах ПК, сформированного на подложках КЭС-0,01 и КДБ- 0,03 и имеющего пористость 50-68%. Описание образцов приведено в разд.2.4. Измерения проводились на тестовых структурах с толстыми слоями ПК, величина удельного сопротивления определялась по начальному линейному участку ВАХ. В исходном состоянии и после каждой операции отжига выполнялось измерение ВАХ структур Al/ПК/МК/Al в температурном интервале 295-380К, что позволяло после каждой термообработки построить зависимость проводимости от обратной температуры и определить полный набор параметров: величину проводимости ПК при комнатной температуре, предэкспоненциальный множитель0 и энергию активации Ea. Проведенные измерения показали незначительные отличия в изменениях величины проводимости PS4 после отжига для пористых структур, полученных на подложках p-Si (КДБ-0,03) и n-Si (КЭС-0,01). Обобщенные для этих двух случаев результаты приведены в табл.4.5. Из таблицы следует, что отжиг при температуре 450С приводит к увеличению удельного сопротивления PS4 более, чем на порядок, а дальнейшая термообработка плавно снижает величину отношения ПК/0ПК, которое продолжает оставаться больше единицы. После отжига наблюдалось изменение величин 0 и Ea. Так, термическое воздействие при 550С приводило к уменьшению обоих параметров по сравнению с исходным состоянием, что показано на примере нескольких образцов на рис.4.7. Главной чертой изменений величин 0 и Ea являлось их соответствие правилу Мейера-Нелдела для гидрогенизированного аморфного кремния. Это свидетельствует о том, что перенос носителей заряда в исследуемых слоях PS4 действительно происходит по оболочке, близкой по свойствам к a-Si:H, и термический отжиг не изменяет характер дрейфа носителей. Уменьшение величины энергии активации Еа при термообработке аморфного гидрогенизированного кремния при температурах выше 450С обычно объясняется [173] эффузией водорода и уменьшением щели подвижности. Дополнительный анализ ВАХ при помощи step-by-step метода показал, что плотность состояний вблизи квазиуровня Ферми на энергетическом расстоянии до 100 мэВ при отжиге 450-550С не изменяется и находится в диапазоне значений, показанном на рис.2.18. Изменение удельного сопротивления слоев PS4 при отжиге Табл.4.5. Изменение удельного сопротивления ПК/0ПК Отжиг 450С 10 - 32 Отжиг 500С 5,5 - 9,8 Отжиг 550С 1,5 - 5, Таким образом, результаты по кратковременному термическому отжигу образцов пористого кремния PS1-PS4 показывают на различный по характеру отклик электропроводности пористых слоев, относящихся к различным группам. Эти результаты на примере заключительного отжига 550С сведены в табл.4.6. Самый главный вывод, вытекающий из экспериментальных данных разделов 4.1.1-4.1.4, состоит в том, что наблюдаемые при отжиге изменения полностью соответствуют предложенным для PS1PS4 моделям переноса носителей. Изменения удельного сопротивления слоев PS1 - PS4 после термоотжига 550C Табл.4.6 Изменение удельного сопротивления ПК/0ПК PS1 0,9-1,1 PS2 0,7 - 0,9 PS3 (1-6)10-4 PS4 1,5-5, 4.2. Влияние облучения высокоэнергетичными электронами на проводимость слоев ПК Известно, что радиационные эффекты в кристаллитах малых размеров могут заметно отличаться от аналогичных эффектов в объемном материале. Так, в частности, нанокристаллы кремния могут аморфизироваться при комнатной температуре под действием электронов и легких ионов, что не характерно для кремниевых кристаллов [288]. Поэтому изучение влияния электронного облучения на электрические параметры ПК представляет интерес не только с точки зрения изучения радиационной стойкости пористых материалов, но и с точки зрения физики низкоразмерных структур. Влияние радиационных воздействий на cтруктурные параметры и люминесцентные свойства ПК в настоящее время изучено слабо. В литературе имеются лишь отрывочные сведения об облучении ПК -частицами [289], -квантами [290,291], ионами аргона [292] и низкоэнергетичными электронами [293,294 и др.]. Показано, что после воздействия -частицами, ионами аргона и после -облучения слоев ПК происходит уменьшение интенсивности фотолюминесценции (ФЛ) при сохранении параметров кривой ФЛ. Установлено, что электроны с энергией 1-5 кэВ не способны к дефектообразованию в объеме квантовых нитей ПК, но приводят к эффективному разрушению кремний-водородных комплексов на поверхности пор, вызывая деградацию ФЛ ПК [294]. Впоследствии было показано [295], что при больших дозах электронного облучения происходит накопление радиационных дефектов и увеличение доли аморфной фазы в ПК. электронному В работе [296] продемонстрировано возгорание ФЛ под действием облучению, а в [297] описан эффект снижения электроннонепрерывного лазерного излучения на пористых слоях, подвергнутых предварительному стимулированной деградации ФЛ после карбонизации ПК. Показано [298], что в ряде случаев после облучения низкоэнергетичными электронами 0,8-2 кэВ наблюдается увеличение интенсивности ФЛ и смещение излучения в голубую область при сохранении химического состава поверхности. В литературе не приведены результаты по влиянию электронного облучения высокоэнергетичными (МэВ) электронами на свойства ПК. Информация о воздействии потока электронов на электрические характеристики материала полностью отсутствует. Изучение изменений электрической проводимости ПК разных групп после бомбардировки высокоэнергетичными электронами проводилось на тех же пористых слоях, что применялись для изучения влияния термического отжига (разд.4.1). Отличие заключалось лишь в том, что в силу предсказуемости изменений свойств слоев PS1 при электронном облучении, измерения на этих образцах не проводились. Методики измерения удельного сопротивления слоев PS2-PS4 до и после электронной бомбардировки описаны в разд.4.1.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.