WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

В разделе 1.3 проведен анализ работ, посвященных переносу свободных носителей заряда в ПК. Явления, происходящие на границе ПК с металлом и кремниевой подложкой, описаны в разделе 1.3.1. Отмечено, что свойства контакта металл-ПК могут изменяться в зависимости от структурных свойств ПК, в частности от размера кремниевых нанокристаллов. Так, например, на границе алюминия и ПК всегда возникает потенциальный барьер, вследствие чего переход является выпрямляющим. Однако в случае высокого уровня легирования кремния барьер становится узким и за счет процессов эффективного туннелирования переход алюминий/кремний становится омическим (невыпрямляющим). Также в данном разделе приведены выражения, описывающие наблюдаемые в некоторых работах вольт-амперные характеристики ПК. Отмечается, что нелинейность вольт-амперных характеристик ПК при больших напряжениях смещения может объясняться эффектом Пула-Френкеля.

В разделе 1.3.2 проведено сравнение электрических свойств ПК с различным размером нанокристаллов. Показано, что в ПК с размером нанокристаллов 5 нм квантово-размерные эффекты играют определяющую роль в транспорте свободных носителей заряда. Обычно, в таком материале преобладает прыжковый механизм проводимости по локализованным состояниям нанокристаллов. Однако есть данные и о возможности переноса носителей заряда по делокализованным состояниям слоя аморфного сплава кремния с водородом и кислородом, расположенного на поверхности кристаллов кремния в ПК. Имеющийся в литературе разброс в экспериментальных данных и их интерпретации может объясняться тем, что перенос носителей заряда в ПК в значительной степени зависит от величины пористости, диаметра пор, размеров обедненных областей, от эффективности процессов захвата носителей на ловушки и т.д.

В случае ПК с размером нанокристаллов более 5 нм, квантово-размерный эффект пренебрежимо мал. Однако исследованию переноса носителей заряда в таком материале в литературе внимания практически не уделено. В частности, не выяснена роль граничных состояний нанокристаллов и их формы на электропроводность ПК.

Раздел 1.3.3 посвящен исследованию фотопроводимости ПК. Приведены данные зависимости фототока от энергии падающих на ПК квантов света.

Отмечается, что фотопроводимость ПК определяется не только структурой ПК, но и условиями измерения фотопроводимости: уровнем возбуждения, температурой, приложенным напряжением. В случае микро-ПК при большом приложенном напряжении наблюдается насыщение фототока, которое может быть объяснено в рамках квантово-размерной модели. Однако детальный анализ механизмов рекомбинации неравновесных носителей заряда в ПК в литературе отсутствует.

Влияние адсорбции на электропроводность слоев ПК рассмотрено в разделе 1.3.4. Приведены литературные данные об изменении электропроводности при адсорбции молекул NO2, NO, NH3. Сообщается также о сверхлинейном росте электропроводности ПК p-типа с увеличением концентрации свободных носителей заряда при адсорбции молекул NO2. Однако объяснение такого сверхлинейного роста в литературе не представлено. Не изучен также вопрос об изменении подвижности носителей заряда в результате адсорбции.

Свойства окисленного ПК описаны в разделе 1.3.5. Рассматриваются работы, в которых наблюдается значительное изменение оптических и электрических свойств окисленных образцов ПК по сравнению со свежеприготовленными. Показана возможность модификации свойств ПК посредством кратковременного термического отжига. В то же время отмечается, что большинство работ посвящено исследованию окисленных слоёв микро-ПК.

В заключении данной главы в разделе 1.4 сформулированы выводы из обзора литературы и поставлены задачи исследования.

Во второй главе приведены данные об изученных в работе образцах, описаны экспериментальные методики, с помощью которых проводились исследования.

Раздел 2.1 посвящен методике приготовления образцов. Слои мезо-ПК формировались на пластинах монокристаллического кремния p– и n–типа проводимости путем электрохимического травления в растворе плавиковой кислоты и этанола HF(48%):C2H5OH при различных плотностях тока j. Толщины образцов контролировались с помощью оптического микроскопа. Пористость полученных образцов определялась гравиметрическим методом. В таблице 1 представлен перечень параметров приготовления, интегральные характеристики и используемые в работе обозначения образцов мезо-ПК. Термический отжиг образцов проводился с использованием специальной печи в атмосфере воздуха в течение 30 минут.

Температура отжига варьировалась в диапазоне 150-450 С.

Таблица 1. Перечень параметров приготовления, интегральные характеристики и обозначения образцов ПК.

Удельное Плотность Время Тип HF(48%): сопротивление тока травле Пористость Образец подложки C2H5OH подложки, травления, ния, образца, % Ом·см мА/см2 мин КДБ (110) 1:1 0.003-0.006 30 20 68 I КДБ (100) 1:1 0.003-0.006 30 20 70 II КЭМ (100) 3:2 0.001-0.005 40 20 70 III КДБ (110) 1:1 0.025-0.030 40 40 50 IV Далее (раздел 2.2) описывается методика измерения электропроводности и фотопроводимости. Для исследования электрических свойств на поверхность ПК напылялись металлические контакты (алюминиевые, либо золотые) в двух различных конфигурациях, что позволяло исследовать перенос носителей заряда вдоль поверхности слоя и перпендикулярно ей. Электропроводность слоёв ПК измерялась с помощью пикоамперметра Keithley 6487, обладающего высокой чувствительностью.

Напряжение на образец подавалось с источника, встроенного в пикоамперметр.

Для измерения частотных зависимостей электропроводности и емкости использовался импеданс-анализатор HP 4192A, позволяющий проводить измерения в области частот f=5 Гц – 13 МГц.

Для определения фотопроводимости использовались либо GaAlAs светодиод с энергией испускаемых квантов h=1.4 эВ и интенсивностью 41016 см-2с-1, либо HeNe лазер с интенсивностью 21018 см-2с-1.

Электрические и фотоэлектрические характеристики определялись в области температур T=120-400 K.

В разделе 2.3 приведена методика регистрации ИК-спектров. Измерение спектров пропускания инфракрасного излучения образцов ПК осуществлялось с использованием ИК-спектрометра с обратным Фурье – преобразованием Bruker IFS 66v/S в спектральном диапазоне 6000 - 400 см-1 и разрешением 2 см-1. В разделе также описан метод расчета концентрации свободных носителей заряда в слоях мезо-ПК на основе ИК-спектров пропускания.

В разделе 2.4 обсуждаются способы получения и очистки адсорбатов.

Газообразный аммиак (NH3) был получен из его водного раствора путем двойной перегонки с осушением. В экспериментах использовался йод (I2) (99,9%) марки ОСЧ.

В разделе 2.5 приведена методика адсорбционных измерений. Для проведения измерений на базе современного оборудования фирмы Varian была собрана экспериментальная установка, позволяющая достичь степени вакуумирования образца до 10-5 Торр. Конструкция вакуумной системы позволяла одновременно проводить измерения электропроводности и снятие спектров ИК-пропускания при адсорбции различных молекул.

Третья глава посвящена исследованию переноса носителей заряда в мезо-ПК, обладающим анизотропией формы нанокристаллов.

В разделе 3.1 приведены результаты экспериментов по изучению электропроводности анизотропного мезо-ПК на постоянном токе (образцы I). В данных образцах нанокристаллы кремния вытянуты вдоль кристаллографического направления [1 1 0]. Измерения электрических и фотоэлектрических свойств данных образцов проводились вдоль направления [1 1 0] и перпендикулярного ему направления [001] (в этом направлении размер кремниевых нанокристаллов наименьший). Исследования вольт-амперных характеристик (ВАХ) показали, что они являются нелинейными и симметричными относительно полярности приложенного напряжения. Нелинейность ВАХ может быть связана с наличием в исследованных слоях потенциальных барьеров. Эти барьеры могут существовать на границах нанокристаллов кремния. Причем нелинейность ВАХ в случае переноса носителей заряда вдоль направления [1 1 0] достаточно слабая, что говорит о малом влиянии потенциальных барьеров на перенос носителей заряда вдоль данного направления.

На рис. 1 представлены температурные зависимости темновой проводимости d, измеренной вдоль кристаллографического 10-направления [1 1 0] и [001]. Из рисунка видно, что наблюдается 10-значительная анизотропия 10-проводимости, т.е. проводимость вдоль кристаллографического 10-направления [1 1 0 ] значительно выше проводимости вдоль 10-2 3 4 5 6 7 8 направления [001] во всей области 1000/T, K-исследованных температур.

Рис. 1. Температурные зависимости Однако анизотропия проводимости темновой проводимости ПК для уменьшается с ростом кристаллографических направлений [001] (1) температуры. Из рисунка также и [1 1 0] (2). К образцу приложено видно, что зависимости d(T) напряжение U=5В.

--d, Ом см имеют активационный характер, т.е. описываются уравнением: d=0exp(-EA/kT), где EA – энергия активации, 0 – предэкспоненциальный множитель, k – постоянная Больцмана. Значения энергий активации EA достаточно сильно отличаются для направлений [001] и [1 1 0] и равны, соответственно, 0.45 и 0.30 эВ. В случае исследуемого мезо-ПК со средним размером нанокристаллов порядка 10100 нм, квантово-размерный эффект не столь значительный, поэтому можно считать, что энергетическая зонная диаграмма для кремниевого нанокристалла такая же, как и для объемного кремния. В этом случае перенос носителей заряда (дырок) может происходить по делокализованным состояниям валентной зоны. Между нанокристаллами могут существовать потенциальные барьеры, образующиеся, например, за счет захвата носителей на поверхностные состояния. Наличие барьеров между нанокристаллами приводит к активационной зависимости подвижности носителей заряда: µ=µ0·exp(-Еb/kT), где Еb – эффективная высота барьеров, k - постоянная Больцмана, µ0 - предэкспоненциальный множитель. Анизотропия электропроводности может быть связана как с различным числом барьеров вдоль разных кристаллографических направлений, так и их высотой. Разница в значениях высот потенциальных барьеров объясняет наблюдаемое различие энергий активации электропроводности вдоль различных кристаллографических направлений. В диссертации приводятся возможные причины различий высот потенциальных барьеров вдоль рассматриваемых кристаллографических направлений.

В разделе 3.2 приведены данные о фотопроводимости анизотропного мезо-ПК.

Во всей области исследованных температур величина фотопроводимости вдоль кристаллографического направления [1 1 0 ] выше, чем вдоль направления [001].

Относительное различие между величинами ph вдоль кристаллографических направлений [001] и [1 1 0 ], так же как и между значениями темновой проводимости, уменьшается с повышением температуры. Анизотропия фотопроводимости может быть объяснена аналогично случаю темновой проводимости.

Исследования люкс-амперных характеристик показали, что при всех используемых интенсивностях падающего на образец излучения, фотопроводимость ph зависит от интенсивности света I по закону: ph= ·I, где – некоторая постоянная, а - показатель степени люкс-амперной характеристики. Измерения были проведены при различных напряжениях смещения (U=5B, 10B) и при различных температурах (T=300K, 200K). Анализ люкс-амперных характеристик показал, что для всех зависимостей принимает аномально малые значения ( <0.5). Значения показателя степени люкс-амперной характеристики может быть меньше 0.5 в случае туннельной рекомбинации [13]. В нашем случае неравновесные носители заряда (дырки) могут посредством туннелирования сквозь потенциальный барьер захватываться на локализованные состояния на границах нанокристаллов с аморфной фазой или порами, и далее рекомбинировать с электронами.

В разделе 3.3 проведены исследования электропроводности и ёмкости анизотропного мезо-ПК методом импеданс-спектроскопии. В результате анализа зависимости мнимой части импеданса (-ImZ) от действительной (ReZ) была предложена одна из возможных эквивалентных схем исследованной структуры, состоящая из двух параллельных RC-цепочек, соединенных последовательно между собой. Одна цепочка описывает влияние на перенос носителей заряда потенциальных барьеров на границах нанокристаллов, другую можно отождествить с сопротивлением (Rs) и емкостью (Cs) самой кремниевой структуры, уже без учета потенциальных барьеров. С помощью предложенной эквивалентной схемы в диссертации объясняются измеренные частотные зависимости электропроводности и емкости анизотропного мезо-ПК.

Данные об анизотропии электропроводности и ёмкости в 400 случае переменного сигнала приведены в разделе 3.4. На рис. показаны частотные зависимости анизотропии проводимости, определяемой как отношение проводимости 1 (вдоль 100 101 102 103 104 105 106 направления [110] ) к f, Гц проводимости 2 (вдоль оси [001]), Рис. 2. Частотные зависимости анизотропии для различных температур. Во всем темновой электропроводности (1/2), исследованном интервале частот и полученные при различных температурах: (1) - температур выполняется 370 К, (2) - 330 К, (3) – 270 К, (4) – 210 К, (5) – соотношение 1/2 >>1. Величина 170 К.

/ 1/2 максимальна в области низких частот и температур. В случае низких частот основное влияние на перенос носителей заряда, по-видимому, оказывают потенциальные барьеры на границах нанокристаллов. Поэтому анизотропия проводимости может быть объяснена различной высотой потенциальных барьеров в кристаллографических направлениях [110] и [001]. По мере увеличения частоты роль потенциальных барьеров ослабевает и при высоких частотах (когда влиянием потенциальных барьеров на электрический транспорт можно пренебречь) анизотропия проводимости, так же как и анизотропия оптических свойств, в ансамблях анизотропных кремниевых нанокристаллов может быть описана на основе модели эффективной среды [14]. Следует отметить, что анизотропия электропроводности остается довольно высокой (1/2>10) и при больших частотах (f=10 МГц). Это указывает на возможность использования эффекта анизотропии электропроводности в быстродействующих приборах.

Как и в случае проводимости, существует значительная анизотропия ёмкости для кристаллографических направлений [110] и [001]. Однако в отличие от электропроводности наблюдается немонотонное изменение анизотропии ёмкости с частотой переменного сигнала. При частотах порядка 105 Гц анизотропия емкости достигает максимального значения, а при меньших и больших значениях она существенно уменьшается. Возникновение значительной анизотропии емкости в области средних частот может быть связано с немонотонной зависимостью времени жизни неосновных носителей заряда от частоты.

Pages:     | 1 || 3 |






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