WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 3 Роль примеси бора в активации свободных носителей заряда в слоях пористого кремния при адсорбции акцепторных молекул ¶ © Л.А. Осминкина, Е.А. Константинова, К.С. Шаров, П.К. Кашкаров, В.Ю. Тимошенко Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова (физический факультет), 119992 Москва, Россия (Получена 12 июля 2004 г. Принята к печати 9 августа 2004 г.) Методами спектроскопии инфракрасного поглощения и электронного парамагнитного резонанса исследована роль примеси бора в слоях пористого кремния при активации в них свободных носителей в условиях взаимодействия с акцепторными молекулами двуокиси азота. Обнаружено, что концентрация возникающих при адсорбции свободных дырок тем больше, чем выше уровень легирования бором подложек, используемых для получения пористого кремния. Результаты экспериментов объяснены формированием на поверхности кремниевых нанокристаллов, составляющих пористый кремний, донорно-акцепторных пар в виде анионрадикалов (NO2)- и положительно заряженных дефектов — оборванных связей кремния.

1. Введение даемом эффекте „адсорбционного легирования“ ПК.

В частности, неясно, возможно ли образование свободПористый кремний (ПК), формируемый электрохими- ных дырок при взаимодействии NO2 с ПК, полученным ческим травлением монокристаллического кремния, при на подложках с низкой концентрацией бора. Для решеопределенных режимах получения представляет собой ния этого вопроса в настоящей работе с использованием набор кремниевых нанокристаллов (nc-Si) с чрезвы- методов инфракрасной (ИК) спектроскопии и спектрочайно большой удельной поверхностью, 103 м2/г [1], скопии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) что обусловливает высокую чувствительность его исследуется влияние адсорбции молекул NO2 на конценфизико-химических свойств к адсорбции молекул [2]. трацию свободных носителей заряда и дефектов в слоях В частности, было установлено, что адсорбция молекул пористого ПК, выращенных на подложках с различным NO2 приводит к значительному росту электропровод- уровнем легирования бором.

ности [3] и концентрации свободных носителей заряда (дырок) [4] в слоях мезопористого ПК с характер2. Методика эксперимента ными размерами nc-Si более 4–5 нм, т. е. в условиях слабого квантового размерного эффекта [5]. В дальОбразцы были приготовлены стандартным методом нейшем были выдвинуты гипотезы о том, что вызванэлектрохимического травления монокристаллов c-Si : B ное адсорбцией появление свободных носителей заряда в растворе HF(48%) : C2H5OH = 1 : 1 при плотности тосвязано с разрушением связанного состояния дырок ка 50 мА/см2. Использовались пластины с ориентацией кулоновскими полями адсорбционных комплексов [6] поверхности (100) и удельным сопротивлением 1-2, или с перезарядкой поверхностных состояний дефек10-20 мОм · см и 10-15 Ом · см (полученные слои ПК тов, что меняет положение уровня Ферми в ансамбле в дальнейшем обозначены как образцы типа I, II и III nc-Si [7]. В работе [8] было показано, что взаимосоответственно — см. таблицу). После окончания продействие молекул NO2 с поверхностью кремниевых цесса порообразования слои ПК отделялись от подложнанокристаллов является сложным физико-химическим ки путем кратковременного увеличения плотности тока процессом, включающим в себя адсорбцию с перенодо 500 мА/см2. Толщина полученных слоев составляла сом заряда, а также хемосорбцию, ведущую к окисле40-60 мкм. Пористость ПК определялась гравиметричению поверхности nc-Si и образованию дефектов типа ским методом и приведена для различных образцов в Pb-центров (образованных связей кремния на границе).

таблице.

Такие дефекты, как исходно существующие [7], так и Спектры пропускания пленок ПК измерялись с поадсорбционно-индуцированные [8], являются эффективмощью ИК спектрометра с обратным фурье-преобраными центрами захвата дырок, в то же время возниказованием фирмы PERKIN ELMER RX I (диапазон изющие при адсорбции комплексы вида P+-NO- могут b мерений 400-6000 см-1, разрешение 2 см-1). Спектры приводить к значительному росту концентрации дырок коэффициента поглощения () определялись на основе в nc-Si [8].

измеренных спектров пропускания согласно соотношеНесмотря на существенное продвижение в понимании нию () -d-1 ln[T ()], где — волновое число, или механизмов взаимодействия акцепторных молекул NO2 частота ИК излучения, T () — коэффициент пропускас nc-Si, остается открытым вопрос о роли исходно ния, d — толщина слоя.

присутствующей легирующей примеси (бора) в обсужИзмерения ЭПР в свободных пленках ПК были вы¶ полнены на спектрометре PS_100.X (рабочая частоE-mail: osminkina@vega.phys.msu.ru Fax: (095)9391566 та 9.5 ГГц, чувствительность прибора 5 · 1010 спин/Гс).

366 Л.А. Осминкина, Е.А. Константинова, К.С. Шаров, П.К. Кашкаров, В.Ю. Тимошенко Параметры образцов Сопротивление Концентрация дырок Np, см-3 Плотность дефектов Ns, см-Образец подложки исходная максимальная в NO2 исходная максимальная в NOI 1-2м · см 4 · 1018 2.2 · 1019 5.2 · 1016 1.1 · II 10-20 м · см 2 · 1017 4 · 1018 9.1 · 1016 4.6 · III 10-15 · см < 1016 < 1016 7.3 · 1017 2.5 · Для расчета g-факторов и концентраций дефектов и 2 · 1017 см-3 и были меньше 1016 см-3 (предел деиспользовались эталоны MgO с ионами Mn++ и тектируемости используемого метода) для образцов III.

CuCl2 · 2H2O.

Величины Np для образцов I и II более чем на порядок Диоксид азота был получен в результате хи- величины меньше уровня легирования используемых мической реакции Cu(стружка)+4HNO3 = 2NO2(газ) для их формирования подложек c-Si : B. Действитель+ Cu(NO3)2 + 2H2O. Очистка газа NO2 от примеси воды но, концентрация примеси бора и свободных дырок производилась путем пропускания его через колбу с осупри температуре T = 300 K составляла в подложках шителем P2O5. Адсорбция молекул NO2 на свободные 1020 см-3 (образец I) и 5 · 1018 см-3 (образец II). Послои ПК осуществлялась из вакуума. Эксперименты по добное снижение Np может быть объяснено захватом дыадсорбции и измерению ИК спектров и ЭПР проводирок на состояния дефектов на поверхности nc-Si [6–8,10].

лись in situ при комнатной температуре.

Кроме того, в nc-Si малого размера (образцы II и III) можно ожидать снижения Np вследствие роста энергии активации примеси бора [6]. Необходимо отметить, что 3. Экспериментальные результаты уменьшение Np по сравнению с подложкой не может и их обсуждение быть вызвано снижением концентрации примеси B в ПК.

Как было установлено в работе [12], при формировании На рис. 1, a представлены спектры коэффициента поглощения образца типа I в вакууме. В спектре свежеприготовленного ПК присутствуют полосы поглощения на валентных колебаниях Si-Hx (x = 1, 2, 3) с частотами 2070-2170 см-1, ножничных колебаниях Si-H2 с частотой 910 см-1, а также на деформационных колебаниях Si-Hx с максимумом полосы при 660 см-1 [9].

Указанные полосы наблюдаются на фоне непрерывной составляющей, связанной с поглощением на свободных носителях заряда. Концентрация последних может быть рассчитана из спектров поглощения с использованием классической модели Друде с поправкой на дополнительное рассеяние, которое сказывается преимущественно в диапазоне низких частот [10]. В то же время из анализа высокочастотной области спектра (2500-6000 см-1), где механизмы рассеяния в nc-Si близки к таковым в c-Si [4,6], можно найти концентрацию носителей заряда внутри nc-Si, используя следующее простое соотношение [8]:

n Np = NSi, (1) SinSi(1 - p) где, n и p — коэффициент поглощения, показатель преломления и пористость ПК, известные из эксперимента, а NSi, nSi и Si — соответственно концентрация дырок, показатель преломления и коэффициент поглощения для подложки, которые хорошо известны из литературы (см., например, [9,11]).

Рис. 1. Спектры коэффициента поглощения образца I. УслоРассчитанные по формуле (1) значения Np для испольвия измерения: a — вакуум, остаточное давление 10-6 Торр;

зованных нами образцов приведены в таблице, а также b — атмосфера NO2, давление PNO2 = 0.1 (1) и 10 Торр (2).

на рис. 2. Для свежеприготовленных слоев ПК типов I Стрелками отмечены пики поглощения на соответствующих и II значения Np составляли соответственно 4 · 1018 молекулярных поверхностных группах.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Роль примеси бора в активации свободных носителей заряда в слоях пористого кремния... величина Ns максимальна для образцов III и минимальна для образцов I (см. таблицу). Этот факт становится понятным, если учесть, что сигнал ЭПР может быть обусловлен только нейтральными Pb-центрами, так как захватившие дырку Pb-центры не являются парамагнитными. Минимальный сигнал ЭПР, регистрируемый в свежеприготовленных образцах с максимальной концентрацией легирующей примеси, хорошо объясняется переходом дефектов в состояние P+:

b P0 + h+ P+. (2) b b Таким образом, вызванное адсорбцией NO2 изменение концентрации Pb-центров лучше всего может быть проанализировано по данным ЭПР для образцов III, для которых процессы перезарядки, связанные Рис. 2. Зависимости концентрации свободных дырок в ПК с захватом дырок, несущественны. Как показали наши от давления NO2 для образцов I и II. Пунктирной линией эксперименты, амплитуда сигнала ЭПР меняется несуобведены значения Np для свежеприготовленных образцов в щественно после адсорбции NO2 при PNO 0.1 Торр вакууме.

(см. рис. 3), в то же время сигнал значительно возрастает при PNO = 1-10 Торр. Максимальные значения Ns регистрировались при PNO = 10 Торр и приведены для ПК концентрация бора, напротив, возрастает относиразличных образцов в таблице. Полученные величины тельно концентрации остающихся атомов кремния.

Ns 1018-1019 см-3 свидетельствуют об эффективном Адсорбция NO2 при давлениях PNO = 0.01-0.1 Торр 2 дефектообразовании при окислении поверхности nc-Si приводила к росту концентрации свободных дырок в после адсорбции при больших PNO.

образцах I и II (см. рис. 1, b и рис. 2). Для образцов III Экспериментальные данные по изменению Np и Ns в появление свободных носителей заряда зарегистрирослоях ПК при адсорбции NO2 могут быть хорошо объясвано не было. Максимальные значения Np, вызванные нены в рамках модели образования на поверхности nc-Si адсорбцией, регистрировались при PNO = 0.1Торр и 2 донорно-акцепторных пар в виде анион-радикалов NOдля образцов I и II составляли соответственно 2.2 · 1019 и положительно заряженных дефектов — P+-центров [8].

b и 4 · 1018 см-3 (см. таблицу). Таким образом, чем выше Согласно этой модели, в процессе адсорбции NO2 на исходный уровень легирования бором, тем больше знаповерхности nc-Si могут образовываться анионные компчение Np после адсорбции NO2.

лексы NO-. Это означает появление соответствующих Как видно из рис. 1, b и рис. 2, величина Np в акцепторных уровней в запрещенной зоне nc-Si. Данные образцах I и II зависела немонотонно от PNO. Паде2 уровни, по-видимому, являются достаточно глубокими, ние величины Np при PNO 1 Торр можно объяснить 2 т. е. не могут сами по себе обеспечить появление своростом числа центров захвата дырок вследствие дебодных дырок в nc-Si при комнатной температуре. Одфектообразования в ПК при адсорбции NO2. Действинако ввиду малых размеров нанокристаллов возможно тельно, при больших давлениях NO2 в ИК спектрах ПК (см. рис. 1, b) наблюдаются линии поглощения на частотах 1290 и 1620-1680 см-1, связанные с хемосорбированными молекулами NO2, а также полосы поглощения на связях Si–O–Si (1050-1100 см-1) и связях O–H (3100-3800 см-1), обусловленные адсорбционноиндуцированным окислением поверхности nc-Si [10].

Типичные спектры ЭПР исследуемых образцов представлены на рис. 3. Форма сигнала ЭПР и величина его эффективного g-фактора свидетельствуют, что наблюдаемые дефекты являются дефектами типа Pb-центров, т. е. включают в себя оборванную связь кремния на границе раздела Si/SiO2 [13,14]. Известно, что данные дефекты являются амфотерными центрами захвата носителей заряда, т. е. могут захватывать как электрон, так и дырку [15]. По спектрам ЭПР было рассчитано число детектируемых Pb-центров Ns с учетом пористоРис. 3. Спектры ЭПР для образца III, измеренные в васти образцов, как и при расчете Np. Оказалось, что кууме (1) и в атмосфере NO2 при PNO2 = 0.1Торр (2) и PNO2 = 10 Торр (3).

для свежеприготовленного ПК, находящегося в вакууме, Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 368 Л.А. Осминкина, Е.А. Константинова, К.С. Шаров, П.К. Кашкаров, В.Ю. Тимошенко кулоновское взаимодействие между адсорбированными [7] L. Boarino, F. Geobaldo, S. Borini, A.M. Rossi, P. Rivolo, M. Rocchia, E. Garrone, G. Amato. Phys. Rev. B, 64, 205 молекулами NO2 и Pb-центрами, которое приводит к (2001).

возникновению донорно-акцепторных пар P+-NO-. Обb [8] Е.А. Константинова, Л.А. Осминкина, К.С. Шаров, разование подобных пар вызывает рост Np ввиду своего Е.В. Курепина, П.К. Кашкаров, В.Ю. Тимошенко. ЖЭТФ, рода пассивации Pb-центров, которые, будучи положи126 (10), 857 (2004).

тельно заряженными, перестают быть центрами захвата [9] W. Theib. Surf. Sci. Rep., 29, 91 (1997).

свободных дырок. В результате появление свободных [10] Л.А. Осминкина, Е.В. Курепина, А.В. Павликов, В.Ю. Тиносителей заряда может быть представлено следующим мошенко, П.К. Кашкаров. ФТП, 38, 603 (2004).

уравнением реакции:

[11] H. Hara, Y. Nishi. J. Phys. Soc. Japan, 21, 1222 (1966).

[12] G. Polisski, D. Kovalev, G.G. Dollinger, T. Sulima, F. Koch.

NO2 + P+ + B- (NO- - P+) +B- + h+. (3) Physica B, 273–274, 951 (1999).

b 2 b [13] E.H. Poindexter, P.J. Caplan, B.E. Deal, R. Razouk. J. Appl.

Таким образом, в отсутствие адсорбционно-индуцироPhys., 52 (2), 879 (1981).

ванного дефектообразования, т. е. при малых давлениях [14] J.L. Cantin, M. Schoisswohl, H.J. Bardeleben, N.H. Zoubir, M. Vergnat. Phys. Rev. B, 52 (16), R11599 (1995).

NO2, концентрация свободных дырок будет контролиро[15] В.С. Вавилов, В.Ф. Киселев, Б.Н. Мукашев. Дефекты в ваться уровнем легирования бором и степенью пассивакремнии и на его поверхности (М., Наука, 1990).

ции исходных Pb-центров адсорбированными молекулами. При больших давлениях NO2 вследствие окисления Редактор Л.В. Шаронова поверхности ПК возникают новые Pb-центры, что приводит к уменьшению концентрации дырок в результате The role of a boron dopant in porous их захвата на вновь образованные дефекты (см. рис. 2).

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.