WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 3 Транспортные явления в крупнозернистых поликристаллах CdTe © С.А. Колосов, Ю.В. Клевков, А.Ф. Плотников Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, 119991 Москва, Россия (Получена 31 марта 2003 г. Принята к печати 15 июля 2003 г.) Исследованы транспортные свойства крупнозернистых поликристаллов CdTe. Результаты интерпретируются на основе модели, предполагающей наличие на границах зерен достаточно большого количества ловушек, энергетические уровни которых однородно распределены внутри запрещенной зоны. Показано, что воздействие белым светом существенно изменяет подвижности основных носителей вследствие изменения высоты межзеренных энергетических барьеров.

1. Введение рений электронных характеристик поликристаллов. Исключением являются, пожалуй, только поликристаллы с Поликристаллические полупроводники в настоящее крупными (> 100 мкм) размерами кристаллитов. Однако время привлекают к себе все больше внимания из-за их и в этом случае экспериментальные методы, позволяпотенциальных возможностей применения в микроэлекющие определять распределения по энергии (т.е. плоттронике и производстве дешевых тонкопленочных солность состояний) локализованных уровней (ловушек), нечных баратей [1,2]. Прогресс технологий получения связанных с межзеренными границами, базируются тольполикристаллических пленок уже позволил предложить ко на измерениях характеристик переноса заряда основмного новых устройств: резисторов, диодов, биполярных ными носителями [7]. Так, измеряя температурные заи MOS-транзисторов [3,4]. Сегодня уже понятно, что висимости проводимости поликристаллических пленок, в недалеком будущем на основе поликристаллических авторы работы [8], применив метод легирования, устапленок будут реализованы многослойные трехмерные новили, что плотность электронных состояний внутри интегрированные структуры.

запрещенной зоны резко увеличивается у краев зон Потенциальная полезность поликристаллических попроводимости (Ec) и валентной (Ev) (рис. 1).

лупроводников зависит от кристаллического совершенства зерен и электронных свойств их границ. Несмотря на то что технологические проблемы приготовления поликристаллических материалов уже решены, практическая значимость межзеренных границ как доминирующего фактора влияния на электрические свойства этих материалов только сейчас находит понимание. Межзеренные границы, в общем случае, двояким образом влияют на электронные свойства материала.

Во-первых, потенциальные барьеры, создаваемые межзеренными границами, существенно уменьшают подвижности основных носителей заряда, что приводит к увеличению эффективного удельного сопротивления полупроводника. Это нежелательно для многих практических применений не только из-за повышенных удельных сопротивлений, но и из-за трудностей получения образцов с воспроизводимым удельным сопротивлением.

Во-вторых, межзеренные границы — это оборванные связи, которые могут являться ловушками носителей, притягивать к себе примеси или собственные дефекты.

Эти состояния губят подвижности и времена жизни неосновных носителей заряда.

В литературе предложено достаточно много моделей, которые более или менее успешно интерпретируют Рис. 1. Энергетическое распределение плотности электронэкспериментальные данные (см. [5,6]). Однако ни одна ных состояний в запрещенной зоне на границах зерен в из этих моделей не объясняет несоответствие между кремнии [8]: a — акцепторные ловушки, b — донорные результатами кристаллографических измерений и измеловушки.

4 306 С.А. Колосов, Ю.В. Клевков, А.Ф. Плотников 2. Механизмы рассеяния и транспорт основных носителей заряда в поликристаллах с крупными зернами В обычном понимании поликристалл представляет собой совокупность зерен (кристаллитов), разделенных межзеренными границами. Проводимость зерен определяется концентрациями легирующих примесей, их энергией активации, механизмом рассеяния носителей заряда, и зависимость тока от напряжения, как правило, описывается законом Ома. Температурные зависимости проводимости зерен при умеренном их легировании позволяют определить энергии активации легирующих примесей. В поликристаллах, однако, суммарный ток через образец определяется не только проводимостью зерен, но и механизмом перехода носителей из одного зерна в другое — механизмом преодоления межзеренного барьера.

Работа [9] содержит попытку интерпретации электриРис. 2. Энергетическая диаграмма межзеренной границы в ческих свойств поликристаллических полупроводников поликристаллах p-типа проводимости. I — дырочный ток p на основе так называемой сегрегационной модели, сочерез барьер, It и Ie — токи захвата дырок на ловушки и гласно которой примесные атомы собираются вблизи эмиссии с ловушек, E — энергия.

межзеренных границ, где они становятся электрически неактивными. Эта модель, однако, оказалась неспособной объяснить ни температурные зависимости провопостоянная Ричардсона, U — приложенное напряжение.

димости поликристаллов, ни величины подвижностей Смещенный в прямом направлении (левый) барьер обосвободных носителей зарядов.

значен через e, e — зависящая от концентрации легиВторая модель, предложенная в работе [10] и впоследрования и степени компенсации энергия уровня Ферми ствии усовершенствованная авторами [11], предполагает в кристаллических зернах. (Все энергии отсчитываются наличие на границах раздела достаточно большого коот потолка валентной зоны.) личества ловушек, которые лишают подвижности своСогласно этой формуле, ток I в поликристалле p бодные носители заряда. Основываясь на этой модели и длиной L со средними размерами зерна a выражается предполагая, что ток свободных носителей сквозь межзеформулой ренные барьеры подчиняется законам термоэлектронной эмиссии и что эти ловушки только частично заполнены I = AT exp -( + ) 1 - exp(-Ua/L), (2) p в том случае, когда область обеднения не превышает размер кристаллита, удается объяснить транспортные где Ua/L — падение напряжения, приходящееся на одну явления в поликристаллах, которые определяют их межзеренную границу. Обычно эта величина мала по основные электрические свойства.

сравнению с kT/e, что позволяет определить проводиСхематически энергетическая зонная диаграмма межмость барьера с помощью разложения в ряд Тейлора зеренной границы в поликристаллах p-типа проводизависящего от напряжения члена в формуле (2):

мости показана на рис. 2. Впервые эту модель сфор = I /U = exp(-Ea/kT), (3) мулировали Петриц [12] и Мюэллер [13]. Сейчас эта p модель уже хорошо разработана. Предполагается, и это где — постоянная величина, а уже доказано, что дырки захватываются состояниями на поверхности раздела, лежащими выше уровня Ферми Ea = EF(T ) +kT ln(eATa/k). (4) на межзеренной границе EF (рис. 2). Соответствующий положительный заряд компенсируется отрицательно заОтсюда следует, что, измеряя температурную зависиряженными акцепторами в области пространственного мость проводимости барьера, можно определить энерзаряда. Эта модель предсказывает существование сумгию активации Ea и, следовательно, высоту барьера марного тока дырок I, текущего слева направо, p e = Ea - e. (4a) I = AT exp -( + ) 1 - exp(-U). (1) p Поскольку, как отмечалось выше, поликристалл — Здесь = e/kT, e — заряд электрона, T — темпера- это совокупность зерен и межзеренных границ, темпетура, k — постоянная Больцмана, A — эффективная ратурная зависимость проводимости определяется как Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Транспортные явления в крупнозернистых поликристаллах CdTe проводимостью барьеров, так и проводимостью зерен.

Обе эти составляющие подчиняются экспоненциальному закону, правда, с различными энергиями активации.

В первом случае — это энергия активации проводимости барьера, во втором — энергия активации легирующей примеси. Поэтому для выяснения роли барьеров в общей проводимости поликристалла исследуют поликристаллы с различной степенью легирования зерен.

Как правило, этот метод не позволяет получать однозначные результаты. Во-первых, потому что практически невозможно выращивать поликристаллы с одинаковыми размерами зерен и различным уровнем их легирования и, во-вторых, потому что из-за возможной сегрегации примесей определенное их количество остаются электрически нейтральными, что подтверждают опыты по ионному легированию фосфором поликристаллов кремния [11].

Учитывая все эти трудности, мы предлагаем несколько иной метод исследования поликристаллов, суть которого заключается в изучении температурных зависимостей проводимости при воздействии на образцы излучением определенного спектрального состава и различной интенсивности, что позволяет генерировать строго контролируемое количество дополнительных носителей. Рис. 3. Температурные зависимости удельного сопротивления низкоомного p-CdTe: a —без подсветки, b — с подсветкой Далее приводятся полученные нами результаты и их белым светом.

интерпретация.

3. Экспериментальная часть области температур 280-170 K и второй — в области Исследовались электрические свойства высокочистых 160 K и ниже. Первый наклон соответствует энергии поликристаллов p-CdTe с удельным сопротивлением активации (0.24 ± 0.02) эВ и, по-видимому, обуслов(при комнатной температуре) 102-105 Ом · см, име- лен локальными центрами, которые мы наблюдали рающих текстурированную структуру. Образцы выреза- нее [15,16].

лись из поликристаллических слитков, выращенных при Второй наклон интерпретировать сложнее. Его нельзя температурах 600-620C в процессе финишной очистки объяснить захватом дырок на более мелкие акцепторы с CdTe [14]. Контакты наносили после травления образпонижением температуры, так как энергетический уроцов в бром-метаноловом растворе методом осаждения вень таких акцепторов, вычисленный из наклона, должен золота из раствора хлорного золота. Как правило, такие составлять 0.07 эВ. Однако известно, что количество контакты были близкими к омическим.

ионизированных акцепторов при температуре T есть Температурные зависимости удельного сопротивления измерялись в области температур от T = 290 до 65 K.

NA- = NA/[(2p/Nv) exp( E/kT) +1], (5) Подсвечивались образцы галогеновой лампой с температурой нити 3000C, что позволяло воздействовать где NV — плотность состояний в валентной зоне, а p — на образцы белым светом с плотностью потока фотонов концентрация свободных дырок, причем p NA. В рас 1018 см-2 · с-1.

сматриваемом температурном интервале все акцепторы с энергией E = 0.07 эВ ионизованы и, следовательно, не могут давать вклад в изменение концентрации сво4. Результаты и их обсуждение бодных носителей.

Отсюда следует, что этот второй наклон обусловлен На рис. 3 (кривая a) представлена температурная уменьшением подвижности дырок при уменьшении темзависимость удельного сопротивления образца p-CdTe, пературы из-за их рассеяния на заряженных межзеренвырезанного вдоль направления роста монозерна. При температуре 270 K удельное сопротивление образца со- ных границах. Интенсивность этого рассеяния можно ставляло = 6 · 102 Ом · см, что соответствует концен- изменить, уменьшая или увеличивая степень заряжентрации подвижных дырок 1.3 · 1014 см-3 и акцептор- ности межзеренной границы. Подтверждением этому ных центров NA 3 · 1014 см-3. является рис. 3, на котором представлена температурная На температурной зависимости сопротивления этого зависимость проводимости того же самого образца, образца четко обозначаются два наклона: первый — в измеренная при воздействии белым светом (кривая b).

4 Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 308 С.А. Колосов, Ю.В. Клевков, А.Ф. Плотников Сравнивая кривые a и b на рис. 3, следует отметить три факта.

Во-первых, как и следовало ожидать, подсветка не изменяет энергетического положения уровня локального центра, захватывающего дырки при понижении температуры; его энергия активации по-прежнему равна (0.24 ± 0.02) эВ. Во-вторых, генерируемое излучением достаточно большое количество неравновесных носителей почему-то не приводит к существенному увеличению проводимости в области температур 280-170 K.

В-третьих, и самое значительное, в области температур ниже 170 K подвижность дырок увеличивается как -3/µ T, что характерно для рассеяния носителей на акустических фононах.

Интерпретация полученных результатов может вызывать сомнения, особенно если учесть тот факт, что они получены на поликристаллах CdTe, по-видимому, впервые. Однако результаты объяснимы на основе модели барьерной проводимости поликристаллов, и мы твердо убеждены в этом.

Из представленных на рис. 3 данных следует, что проводимость барьера (см. формулу (3)) определяется Рис. 4. Модель нейтрализации заряда, захваченного ловушэнергией активации Ea =(0.07 ± 0.005) эВ. Отсюда по ками межзеренной границы, при генерации носителей светом формуле (4a) можно вычислить высоту потенциального с энергией фотонов h.

барьера на границе зерен. Уровень Ферми в зерне e = Ev - kT ln(p/Nv) при температуре 200 K лежит на (0.20 ± 0.01) эВ выше потолка валентной зоны, соными ловушками дырки, что и приводит к существенноответственно высота барьера составит (0.13 ± 0.01) эВ.

му уменьшению высоты барьера.

Барьер этот обусловлен накоплением на межзеренной Неравенство n и p объясняет и незначительное границе определенного заряда, величину которого, к изменение проводимости образца при высоких темпесожалению, вычислить невозможно, поскольку зависиратурах: возбуждаемые светом дырки захватываются мость плотности состояний на межзеренных границах частично опустошенными межзеренными ловушками и от энергии в поликристаллах CdTe известна лишь качепоэтому не дают вклад в проводимость.

ственно. Заряд этот, однако, можно изменять, повышая По-видимому, уместно сделать некоторые замечания, или понижая уровень Ферми (легированием) либо освекасающиеся области температур, в которой существенщая образец излучением определенного спектрального ную роль начинает играть барьерная проводимость.

состава.

Ток электронной эмиссии, определяемый формулой (1), Поглощение света вблизи барьера приводит к нейтраучитывает только наличие у носителя энергии, долизации локализованных зарядов, уменьшая тем самым статочной для преодоления барьера. Однако, переходя высоту барьера и увеличивая величину барьерной произ одного зерна в другое, носитель должен обладать водимости. Впервые метод модуляции высоты барьера еще и определенным квазиимпульсом, для того чтобы световыми потоками применил Петриц [17] в 1956 г.

Pages:     || 2 |



© 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.