WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. Ломоносова ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

Мартышов Михаил Николаевич ПЕРЕНОС НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В СЛОЯХ ПОРИСТОГО КРЕМНИЯ С РАЗЛИЧНОЙ ФОРМОЙ И ПОВЕРХНОСТНЫМ ПОКРЫТИЕМ НАНОКРИСТАЛЛОВ Специальность 01.04.10 - физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва – 2009

Работа выполнена на кафедре общей физики и молекулярной электроники физического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова.

Научный консультант:

доктор физико-математических наук, профессор П.К. Кашкаров

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор А.Г. Казанский кандидат физико-математических наук, Б.А. Аронзон

Ведущая организация:

Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности

Защита состоится “ 15 ” октября 2009 года в 17 часов на заседании Диссертационного совета Д 501.001.70 при Московском государственном университете им.

М.В. Ломоносова по адресу: 119991 ГСП-1 Москва, Ленинские горы, д.1, стр. 35, конференц-зал Центра коллективного пользования физического факультета МГУ им.

М.В. Ломоносова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им.

М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан “ ” сентября 2009 года

Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.001.70 доктор физико-математических наук, профессор Г.С. Плотников 2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Одним из наиболее быстро развивающихся в настоящее время направлений современной физики твёрдого тела является исследование электрических и фотоэлектрических свойств полупроводниковых низкоразмерных систем. Так, например, в литературе исследуются фундаментальные проблемы резонансного туннелирования носителей заряда в слоях вертикально упорядоченных нанокристаллов и вопросы кулоновской блокады в случае прохождения носителей заряда сквозь одиночный нанокристалл [1-3]. Наиболее актуальным является изучение полупроводниковых нанокристаллов и квантовых точек, состоящих из кремния, поскольку этот материал составляет основу современной полупроводниковой электроники. На данный момент широко обсуждаются возможности создания светоизлучающих диодов, одноэлектронных транзисторов и устройств памяти на основе кремниевых нанокристаллов [4-5].

На протяжении последних нескольких десятков лет внимание исследователей привлекает пористый кремний (ПК), что связано с перспективами его использования в оптоэлектронике, сенсорике и медицине. Кроме того, ПК может рассматриваться как удобный модельный объект для изучения оптических и фотоэлектрических свойств систем, содержащих ансамбли связанных кремниевых нанокристаллов, поскольку он довольно прост в получении и его структурные свойства легко варьируются в процессе роста.

Недавно было обнаружено, что ПК с анизотропией формы нанокристаллов обладает заметным двулучепреломлением [6]. Большинство работ посвящено исследованию линейных [6,7] и нелинейных [8] оптических свойств анизотропного ПК. Однако особенности переноса носителей заряда в анизотропном ПК не изучены.

Также в литературе не обсуждаются механизмы рекомбинации неравновесных носителей заряда в таком материале. В то же время, изучение указанных вопросов является важным для понимания фундаментальных электрических и фотоэлектрических свойств ансамблей кремниевых нанокристаллов.

Перспективность использования ПК в газовых сенсорах связана с его большой удельной поверхностью, достигающей величины ~ 900 м2/см3 [9]. Это обуславливает высокую адсорбционную активность ПК, вследствие чего окружающая среда оказывает заметное влияние на его оптические и электрические свойства. К настоящему времени подробно изучено влияние адсорбции различных газов на спектры ИК-поглощения и определяемую из них концентрацию свободных носителей заряда [10-12]. Одним из простейших газовых сенсоров на основе пористого кремния является прибор, регистрирующий изменение величины электропроводности ПК в процессе адсорбции. Однако исследованиям влияния адсорбции на электрические и фотоэлектрические свойства ПК внимания практически не уделено. Кроме того, совместное измерение электропроводности и концентрации свободных носителей заряда из спектров ИК-поглощения (в случае заметного поглощения на свободных носителях заряда) позволяет оценить величину подвижности по проводимости носителей заряда в ПК и влияние на нее адсорбции.

Помимо адсорбции, одним из способов изменения поверхностного покрытия нанокристаллов в ПК является термический отжиг. До сих пор практически все работы были посвящены исследованию термического отжига на структурные и оптические свойства ПК. В тех же работах, где исследуется электропроводность ПК, не используются никакие другие экспериментальные методы (например, ИКспектроскопия) для анализа изменения локального окружения кремниевых нанокристаллов. Также нет данных о влиянии размеров (в основном исследован микро-ПК) и формы нанокристаллов на перенос носителей заряда при термическом окислении ПК.

Цель настоящей диссертационной работы – проведение систематических исследований влияния формы нанокристаллов и их поверхностного состояния на механизмы переноса носителей заряда в слоях пористого кремния.

Основные научные задачи работы:

1. Исследование электропроводности (измеряемой как на постоянном, так и на переменном сигналах) ПК, обладающего анизотропией формы нанокристаллов.

2. Разработка модели механизма переноса носителей заряда в анизотропном ПК.

3. Проведение исследований фотоэлектрических свойств анизотропного ПК.

Разработка модели рекомбинации неравновесных носителей заряда в анизотропном ПК.

4. Изучение влияния адсорбции активных молекул (йода и аммиака) на величину электропроводности и подвижности носителей заряда в слоях ПК p- и nтипа проводимости.

5. Исследование влияния термического окисления на концентрацию свободных носителей заряда, электропроводность, подвижность и фотопроводимость ПК.

Для решения поставленных задач был применен комплекс методов исследования, включающий методы определения электрических и фотоэлектрических параметров на постоянном токе (электропроводность, фотопроводимость), импеданс-спектроскопию, инфракрасную фурье-спектроскопию.

Все эксперименты по адсорбции проводились с использованием современного безмаслянного вакуумного оборудования.

Достоверность полученных результатов определяется использованием современных взаимодополняющих экспериментальных методик, согласием полученных экспериментальных данных на различных образцах ПК, а также сопоставлением данных экспериментов с данными работ других авторов, выполненных на подобных образцах.

Научная новизна результатов, полученных в диссертации:

1. Обнаружено, что значения электропроводности и фотопроводимости анизотропного ПК, измеряемые вдоль направления максимального размера кремниевых нанокристаллов, заметно превышают соответствующие значения, измеряемые вдоль направления минимального размера нанокристаллов.

2. Исследовано влияние частоты переменного сигнала на анизотропию электропроводности. Установлено, что анизотропия электропроводности уменьшается с увеличением частоты переменного сигнала, но остается достаточно большой вплоть до частот 10 МГц.

3. Разработана модель, объясняющая анизотропию электропроводности ПК, измеряемую как на постоянном, так и переменном сигналах.

4. На основе детального исследования фотоэлектрических свойств анизотропного ПК предложена модель рекомбинации неравновесных носителей заряда, позволяющая объяснить анизотропию фотопроводимости.

5. Представлена новая информация о влиянии адсорбции активных молекул (йода и аммиака) на электропроводность и подвижность свободных носителей заряда в ПК. Установлено, что с помощью адсорбции указанных выше молекул можно существенно, на несколько порядков, увеличить электропроводность ПК. Предложена модель, объясняющая резкий рост электропроводности в результате адсорбции.

6. Показано, что термическое окисление приводит к увеличению анизотропии электропроводности и фотопроводимости ПК за счет изменения подвижности носителей заряда в нем.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. В анизотропном ПК электропроводность и фотопроводимость вдоль кристаллографического направления с максимальным размером нанокристаллов значительно превышают электропроводность и фотопроводимость соответственно вдоль направления минимального размера нанокристаллов. Наблюдается также различие в энергиях активации температурных зависимостей электропроводности, определяемой вдоль различных кристаллографических направлений.

2. Электропроводность анизотропного ПК немонотонно зависит от частоты переменного сигнала. При этом анизотропия электропроводности уменьшается с частотой. Наблюдаемые частотные зависимости электропроводности и емкости ПК описываются эквивалентной схемой, учитывающей сопротивление и емкость потенциальных барьеров на границах кремниевых нанокристаллов и на границах ПК с металлическими электродами.

3. Перенос носителей заряда в исследованных образцах ПК (с размером нанокристаллов 10-100 нм) происходит по делокализованным состояниям кремниевых нанокристаллов. Энергия активации электропроводности определяется положением уровня Ферми относительно края соответствующей зоны (валентной или проводимости) и высотой потенциальных барьеров на границах кремниевых нанокристаллов. Анизотропия электропроводности связана как с различным числом потенциальных барьеров вдоль разных кристаллографических направлений, так и их высотой.

4. Адсорбция донорных молекул на образцы мезопористого кремния n-типа и акцепторных молекул на образцы p-типа приводит к резкому росту электропроводности, который объясняется как увеличением концентрации свободных носителей заряда, так и их подвижности.

5. При термическом окислении слоёв мезопористого кремния увеличивается анизотропия электропроводности и фотопроводимости за счет усиления анизотропии подвижности носителей заряда.

Научная и практическая значимость работы. Полученные в работе результаты характеризуют зависимость электрических и фотоэлектрических свойств пористого кремния от формы кремниевых нанокристаллов и их поверхностного покрытия. С практической точки зрения эти данные могут быть использованы при создании различных типов электронных и сенсорных устройств на основе ПК.

Результаты исследований могут быть использованы для анализа физических свойств систем, содержащих ансамбли связанных кремниевых нанокристаллов.

Личный вклад. Большинство исследованных образцов были изготовлены автором диссертационной работы лично. Роль диссертанта в экспериментальных исследованиях и теоретическом анализе полученных результатов является определяющей.

Апробация результатов работы. Результаты, вошедшие в диссертацию, опубликованы в 13 работах, из которых 5 статей в научных журналах и 8 тезисов конференций. Апробация проходила на следующих конференциях: 7 всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике, Санкт-Петербург, 2005; V международная конференция "Аморфные и микрокристаллические полупроводники", Санкт-Петербург, 2006; 3rd International Conference on Materials Science and Condensed Matter Physics, Кишинев, Молдавия, 2006; Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам "Ломоносов-2007", секция "Физика", Москва, 2007; NATO Advanced Study Inctitute "Sensors for Environment, Health and Security: Advanced Materials and Technologies", Vichy, Франция, 2007; 4th International Conference on Materials Science and Condensed Matter Physics, Кишинев, Молдавия, 2008; Курчатовская молодежная научная школа, Москва, 2008; Десятая международная научно-практическая конференция “Современные информационные и электронные технологии”, Одесса, Украина, 2009.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, основных выводов, списка публикаций автора и списка цитируемой литературы. Общий объем работы составляет 115 страниц машинописного текста, включающих 56 рисунков и 5 таблиц. Библиография содержит 106 наименований.

В руководстве работой активное участие принимал доцент П.А. Форш.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, поставлены задачи исследований, отмечена научная новизна полученных результатов и их практическая ценность, приведены положения, выносимые на защиту, представлен перечень конференций, в рамках которых происходила апробация работы.

В первой главе представлен обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных изучению структурных, оптических и фотоэлектрических свойств ПК.

В разделе 1.1 описаны методы получения ПК, перечислены основные модели, описывающие процесс образования пор. Рассмотрены также структурные свойства ПК, перечислены факторы, определяющие морфологию пор и кремниевых нанокристаллов. Представлены данные сканирующей электронной микроскопии для образцов ПК, обладающих различными структурными свойствами.

Раздел 1.2 посвящен свободным носителям заряда и определению их концентрации при помощи ИК-спектроскопии. В разделе 1.2.1 приведен обзор работ, связанных с изучением химического состава поверхности ПК методом ИКспектроскопии. Представлена таблица, в которой указаны основные полосы ИКпоглощения в ПК. Раздел 1.2.2 посвящен свободным носителям заряда (СНЗ) в мезоПК. Описан способ расчета концентрации СНЗ в ПК, базирующийся на анализе положения плазменного минимума в спектре ИК-отражения с использованием классической модели Друде. В разделе 1.2.3 представлены данные по влиянию адсорбции активных молекул на электронные и оптические свойства мезо-ПК.

Pages:     || 2 | 3 |






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