WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 ||

Четвертая глава посвящена исследованию влияния поверхностного покрытия кремниевых нанокристаллов на перенос носителей заряда в мезо-ПК. Раздел 4.посвящен изучению влияния адсорбции активных молекул на электропроводность и подвижность СНЗ в мезо-ПК p- и n-типа (Образцы II и III).

В пункте 4.1.1 описан метод расчета концентрации СНЗ из ИК-спектров пропускания. На рис. 3, в качестве примера, показаны типичные спектры пропускания T() для слоев ПК p-типа (образец II), полученные в вакууме (кривая 1) и в случае адсорбции йода при различных давлениях (кривые 2 и 3). Монотонное уменьшение пропускания обусловлено поглощением ИК излучения на свободных носителях заряда. Видно, что при адсорбции молекул I2 наклон монотонной составляющей зависимости T() увеличивается, что говорит об увеличении концентрации свободных носителей заряда. Спектральные зависимости коэффициента пропускания, имеющие аналогичные монотонные составляющие, были получены и при адсорбции молекул NH3 на образцы ПК n-типа (образец III).

Характер поглощения в области монотонной составляющей спектра пропускания для исследованных образцов ПК может быть описан 1000 2000 3000 4000 классической моделью Друде -, см в условиях слабого Рис. 3. Типичные спектры пропускания для рассеивания. В этом случае из образцов ПК p-типа в вакууме (1) и при спектров можно оценить адсорбции молекул I2 при давлении P=0.03 Торр.

концентрацию свободных (2) и при давлении P=0.13 Торр. (3).

носителей заряда в образцах по методу, описанному в работе [10].

В пункте 4.1.2 приведены данные по влиянию адсорбции активных молекул на электропроводность мезо-ПК. Показаны зависимости удельной электропроводности h и e для ПК p- и n-типа соответственно, от рассчитанной из спектров ИК поглощения концентрации свободных дырок Nh и электронов Ne. Обнаружено, что величина электропроводности резко (сильнее, чем линейная зависимость) увеличивается с ростом концентрации свободных носителей заряда. Последнее свидетельствует об изменении в результате адсорбции не только концентрации свободных носителей заряда, но и их подвижности.

В пункте 4.1.3 из полученных выше значений электропроводности и концентрации СНЗ рассчитаны значения подвижности по проводимости свободных носителей заряда в образцах II и III. Зависимости подвижности от концентрации свободных дырок и электронов для образцов ПК p- и n-типа представлены на рис. (А, Б). Величина подвижности дырок в исследованных образцах ПК p-типа в вакууме T, % составляет µp2.910-3 см2/Вс. Для образцов n-типа величина подвижности электронов получилась равной µe1.110-2 см2/Вс.

Из рис. 4 видно, что подвижность носителей заряда значительно возрастает в результате адсорбции. Величина подвижности, в случае наличия потенциальных барьеров на границах нанокристаллов, должна зависеть от высоты данных потенциальных барьеров. При адсорбции активных молекул высота потенциальных барьеров может изменяться за счет перезарядки поверхностных состояний. В случае уменьшения высоты потенциальных барьеров подвижность будет возрастать, и приводить к нелинейной зависимости электропроводности от концентрации свободных носителей заряда.

1 10-Б А 10-10-10-10-3 10-1017 1018 1019 1016 1017 N, см-Nh, см-e Рис. 4. Зависимости величины микроскопической подвижности от концентрации свободных носителей заряда, определяемой из спектров пропускания, для образцов ПК p-типа (А) и n-типа (Б).

В пункте 4.1.4 проведено сравнение температурных зависимостей электропроводности до и после адсорбции активных молекул. Показано, что температурные зависимости электропроводности в обоих случаях имеют активационный характер. Энергии активации температурных зависимостей электропроводности до и после адсорбции различаются незначительно. Для ПК pтипа они составляют значения Ea=0.22 эВ и Ea=0.17 эВ до и после адсорбции, соответственно. Для образцов n-типа в вакууме Ea=0.31 эВ, а после адсорбции Ea=0.эВ. Изменение энергии активации может происходить за счет смещения уровня Ферми к краям зон при увеличении концентрации свободных носителей заряда и за 2 -1 -2 -1 -h e µ, см В с µ, см В с счет изменения высоты потенциальных барьеров на границах кремниевых нанокристаллов. Тот факт, что в результате адсорбции характер температурной зависимости электропроводности не изменяется, указывает на наличие одного и того же механизма проводимости до и после адсорбции.

В разделе 4.2 показаны результаты исследования влияния кратковременного термического окисления на электропроводность и фотопроводимость мезо-ПК p-типа (образцы II и IV).

В пункте 4.2.1 исследования проводились на изотропных образцах мезо-ПК (образец II) с использованием двух конфигураций металлических контактов:

планарной (контакты напылялись на поверхность образца) и типа “cэндвич” (один контакт напылялся на поверхность образца, а вторым служила подложка).

Температурные зависимости электропроводности данных образцов имеют активационных характер. При этом в свежеприготовленных образцах электропроводность слабо зависит 10-от температуры, а энергия 10-10-активации равна 0.004 эВ для 10-структуры типа “сэндвич” и 0.06 эВ 10-5 10-для образцов с планарным 10-расположением контактов. В 10-10-результате термического отжига 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4 3,6 3,происходит значительное 1000/T, К-уменьшение величины Рис. 5. Температурные зависимости электропроводности и увеличение проводимости.1– «свежеприготовленный» образец, контакт типа «сэндвич»; 2 – энергии активации. На рис. «свежеприготовленный» образец, планарный представлен график температурных контакт; 3 - образец, отожженный при зависимостей проводимостей °С, контакт типа «сэндвич», 4 – образец, свежеприготовленных образцов и отожженный при 450 °С, планарный контакт.

образцов, отожженных при максимальной температуре.

При отжиге значения проводимости как вдоль, так и перпендикулярно поверхности образца существенно уменьшаются, а анизотропия электропроводности --, Ом см значительно увеличивается. Увеличение анизотропии электропроводности можно объяснить только различным изменением подвижности носителей заряда вдоль исследованных направлений. Поскольку, как было установлено гравиметрическим методом, пористость изотропных образцов довольно высока, ~75 %, то в результате окисления на границах практически всех нанокристаллов формируются кислородосодержащие комплексы. Известно, что при окислении ПК уменьшается концентрация свободных дырок за счет захвата их на поверхностные состояния на границах нанокристаллов. В результате этого увеличивается положительный заряд на поверхности нанокристаллов, что приводит к увеличению потенциальных барьеров для дырок. В связи с этим подвижность дырок заметно падает.

В пункте 4.2.2 приведены результаты исследования влияния термического отжига на электропроводность и фотопроводимость слоев ПК, обладающих анизотропией формы нанокристаллов в плоскости поверхности слоя (образец IV).

Были выполнены исследования элекропроводности и фотопроводимости вдоль кристаллографических направлений [1 1 0 ] и [001]. Обнаружено, что на «свежеприготовленных» образцах анизотропия электропроводности и фотопроводимости практически отсутствует. Однако, при окислении образца при температуре T=150оС проводимость вдоль направления [1 1 0 ] заметно превышает проводимость вдоль направления [001]. Аналогичный эффект наблюдается для фотопроводимости. Это указывает на определяющую роль потенциальных барьеров в переносе носителей заряда на окисленных образцах ПК. Анизотропия электропроводности, как и анизотропия фотопроводимости, для данных образцов не так явно выражена, как для образцов I, поскольку их пористость составляет всего 50 %. При дальнейшем окислении образцов анизотропия электропроводности и фотопроводимости уменьшается. По-видимому, это связано с началом формирования оксидной пленки на поверхности нанокристаллов.

В заключении сформулированы основные выводы диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИИ В диссертационной работе исследовано влияние формы кремниевых нанокристаллов и их поверхностного состояния на перенос носителей заряда в слоях мезопористого кремния. Были получены следующие основные результаты:

1. Обнаружено, что электропроводность слоев анизотропного ПК вдоль кристаллографического направления [1 1 0 ] (вдоль которого вытянуты нанокристаллы) существенно выше, чем вдоль кристаллографического направления [001] (анизотропия электропроводности). Энергия активации температурной зависимости электропроводности для направления [1 1 0 ] меньше, чем для направления [001]. Предположено, что 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 с различным числом и различной высотой потенциальных барьеров вдоль исследованных кристаллографических направлений.

2. Исследованы фотоэлектрические свойства анизотропного ПК. Показано, что механизм рекомбинации неравновесных носителей заряда носит туннельный характер, а основными рекомбинационными центрами могут быть состояния на границах нанокристаллов. Обнаружено, что фотопроводимость вдоль кристаллографического направления [1 1 0] существенно выше, чем вдоль кристаллографического направления [001] (анизотропия фотопроводимости).

Анизотропия фотопроводимости может быть объяснена аналогично анизотропии электропроводности.

3. Методом импеданс-спектроскопии обнаружено, что электропроводность анизотропного ПК немонотонно зависит от частоты переменного сигнала. При этом анизотропия электропроводности уменьшается с частотой. Предложена эквивалентная схема исследованных структур, позволяющая объяснить наблюдаемые частотные зависимости электропроводности пористого кремния.

4. Благодаря совместному измерению концентрации свободных носителей заряда из ИК-спектров пропускания и электропроводности пористого кремния получена величина подвижности по проводимости основных свободных носителей заряда.

Для пористого кремния p-типа значения подвижности по проводимости µp = 2.910-3 см2/Вс, а для пористого кремния n-типа µn=1.110-2 см2/Вс.

Установлено, что подвижность по проводимости увеличивается при адсорбции активных молекул за счет изменения высоты потенциальных барьеров на границах нанокристаллов. Продемонстрирована возможность увеличения на несколько порядков значений концентрации и подвижности свободных носителей заряда посредством адсорбции.

5. Установлено, что термическое окисление оказывает различное влияние на электропроводность и фотопроводимость ПК вдоль различных кристаллографических направлений. Анизотропия электропроводности и фотопроводимости в процессе термического окисления значительно возрастает.

Это может быть связано с усилением анизотропии подвижности носителей заряда в результате термического окисления.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА [1] Fu Y., Dutta A., Willander M., Oda S. “Carrier conduction in a Si-nanocrystal-based single-electron transistor-I. Effect of gate bias” // Superlattices and Microstructures, 2000, v.28, №3, p. 177-187.

[2] Baron T., Gentile P., Magnea N., Mur P. “Single-electron charging effect in individual Si nanocrystals” // Appl. Phys. Lett.,2001, v.79, №8, p. 1175-1177.

[3] Inoue Y., Tanaka A., Fujii M., Hayashi S.,Yamamoto K. “Single-electron tunneling through Si nanocrystals dispersed in phosphosilicate glass thin films” // J. Appl. Phys., 1999, v. 86, №6, p. 3199-3203.

[4] Koch F., Petrova-Koch V. “Light from Si-nanoparticle systems — a comprehensive view “ // J. Non-Cryst. Solids, 1996, v.198–200, №2, p. 840-846.

[5] Tiwari S., Rana F., Hanafi H., Hartstein A., Crabbe E.F., Chan K. “A silicon nanocrystals based memory” // Appl. Phys. Lett., 1996, v.68, №10, p. 1377-1379.

[6] Kovalev D., Polisski G., Diener J., Heckler H., Knzner N., Timoshenko V. Yu., Koch F. “Strong in-plane birefringence of spatially nanostructured silicon” // Appl. Phys. Lett., 2001, v.78, №7, p. 916-918.

[7] Timoshenko V. Yu., Osminkina L. A., A. I. Efimova A. I., Golovan L. A., Kashkarov P. K., Kovalev D., Knzner N., Gross E., Diener J., Koch F. “Anisotropy of optical absorption in birefringent porous silicon” // Phys. Rev. B, 2003, v.67, p. 113405-113408.

[8] Golovan L. A., Timoshenko V. Yu., Fedotov A. B., Kuznetsova L. P., SidorovBiryukov D. A., Kashkarov P. K., Zheltikov A. M., Kovalev D., Knzner N., Gross E., Diener J., Polisski G., Koch F. “Phase matching of second-harmonic generation in birefringent porous silicon” // Appl. Phys. B, 2001, v.73, №1, p. 31-34.

[9] Canham L.T., Groszek A.J. “Characterization of microporous Si by flow calorimetry:

Comparison with a hydrophobic SiO2 molecular sieve” // J. Appl. Phys., 1992, v. 72, p.

1558-1565.

[10] Timoshenko V.Yu., Dittrich Th., Lysenko V., Lisachenko M. G., Koch F., “Free charge carriers in mesoporous silicon” // Phys. Rev. B, 2001, №64, p. 085314.

[11] Kashkarov P.K., Osminkina L.A., Konstantinova E.A., Vorontsov A.S., Pavlikov A.V., Timoshenko V.Yu. “Control of charge carrier density in mesoporous silicon by adsorption of active molecules” // Phys. Status Solidi (a), 2007, №204 (5), p. 1404-1407.

[12] Воронцов А.С., Осминкина Л.А., Ткаченко А.Е., Константинова Е.А., Еленский В.Г., Тимошенко В.Ю., Кашкаров П.К. “Модификация свойств пористого кремния при адсорбции молекул йода” // ФТП, 2007, № 41(8), с. 972-976.

[13] Коугия К.В., Теруков Е.И. “Связь рекомбинации на интерфейсных состояниях и аномально малого показателя степени люксамперной характеристики в микрокристаллическом кремнии” // ФТП, 2001, т. 35, №6, с. 643-648.

[14] Stroud D., “Generalized effective-medium approach to the conductivity of an inhomogeneous material” // Phys. Rev. B, 1975, v.12, p. 3368-3373.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

A1. Форш П.А., Мартышов М.Н., Тимошенко В.Ю., Кашкаров П.К. “Динамическая электропроводность анизотропно наноструктурированного кремния” // ФТП, 2006, т. 40, вып. 4, с. 476-481.

A2. Forsh P.A., Martyshov M.N., Timoshenko V.Yu., Kashkarov P.K. “Impedance spectroscopy of in-plane anisotropic porous silicon films” // Phys.stat.sol.(c), 2007, v.

4, №6, p. 1981-1985.

A3. Форш П.А., Мартышов М.Н., Латышева А.П., Воронцов А.С., Тимошенко В.Ю., Кашкаров П.К. “Подвижность носителей заряда в слоях пористого кремния” // ЖЭТФ, 2008, т. 134, вып. 6 (12), с. 1195-1199.

Pages:     | 1 | 2 ||






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