WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 4 Динамическая электропроводность анизотропно наноструктурированного кремния © П.А. Форш¶, М.Н. Мартышов, В.Ю. Тимошенко, П.К. Кашкаров Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова (физический факультет), 119992 Москва, Россия (Получена 25 июля 2005 г. Принята к печати 5 сентября 2005 г.) Исследованы частотные зависимости электропроводности и емкости анизотропного пористого кремния, полученного путем электрохимического травления пластин монокристаллического кремния p-типа с ориентацией поверхности (110). Обнаружено, что во всем исследованном диапазоне частот (5Гц-13 МГц) и температур (170-370 K) величина электропроводности по направлению наибольшего размера кремниевых нанокристаллов значительно выше, чем по направлению их наименьшего размера. На основе анализа экспериментальных данных показано, что основной причиной анизотропии электрического транспорта является анизотропия кремниевых нанокристаллов, составляющих исследуемые образцы пористого кремния.

PACS: 72.15.Cz, 72.30.+q 1. Введение 2. Исследованные образцы и методика эксперимента Пористый кремний (ПК), получаемый электрохимическим травлением монокристаллического кремния [1], Исследованные в работе слои ПК получались меможет рассматриваться как модельный объект для изутодом электрохимического травления монокристалличения оптических и фотоэлектрических свойств систем, ческих пластин p++-Si : B ( = 1-5мОм· см) с орисодержащих кремниевые нанокристаллы [2]. В последентацией поверхности (110) в растворе HF (48%) с нее время интерес исследователей вызывают образцы этанолом в соотношении 1 : 1. Величина плотности тока ПК с анизотропией формы нанокристаллов. Во мнотравления составляла 40 мА/см2, что соответствовало гом это связано с обнаружением в таких структурах пористости образца около 60% [4]. Отделение пленки сильной оптической анизотропии, в частности двулуот подложки осуществлялось путем резкого увеличения чепреломления в слоях ПК, выращенных на сильно плотности тока до 500 мА/см2 в течение нескольких легированных кремниевых пластинах с ориентацией секунд. Толщина отделенных слоев пористого кремния поверхности (110) [3]. На данный момент большинравнялась примерно 70 мкм. Известно (см. [10]), что ство работ посвящено исследованию линейных [2–4] и получаемый указанным выше способом ПК состоит нелинейных [5] оптических свойств анизотропного ПК из кремниевых остатков (нанокристаллов) с размерами и обсуждению возможностей применения полученных порядка 10–100 нм, вытянутых вдоль кристаллографичерезультатов для создания сенсоров [3,6] и фотонных ской оси [110].

приборов [5,7]. Недавно была обнаружена анизотропия статической электропроводности и фотопроводимости в Для измерения электрических характеристик на послоях ПК [8,9]. Данное свойство связывалось с анизоверхности образцов напылялись алюминиевые контакты тропией формы кремниевых нанокристаллов, поэтому в двух различных конфигурациях, позволяющие осуможно ожидать аналогичной анизотропии для динамиществить перенос носителей заряда вдоль кристаллоческой электропроводности. Отметим, что исследование графической оси [110] (вдоль которой вытянуты начастотной зависимости анизотропии динамической элекнокристаллы) и перпендикулярно ей (т. е. параллельно тропроводности в ПК важно для понимания процессов оси [001]). Расстояние между контактами составляло переноса носителей заряда в ансамблях анизотропных 0.1 мм. Схематично расположение контактов на поверхкремниевых нанокристаллов.

ности исследованных образцов показано на вставке к В данной работе методом импеданс-спектроскопии рис. 1.

исследованы слои анизотропного ПК при различных Частотные зависимости электропроводности измеряориентациях приложенного электрического поля отнолись с помощью импеданс-анализатора НР 4192А в сительно основных кристаллографических направлений интервале частот от 5 Гц до 10 МГц. Измерения пров плоскости слоев, что позволило получить данные по водились при различных температурах в интервале частотным зависимостям анизотропии электропроводноT = 170-370 K. Перед измерениями образец отжигался сти и емкости в структурах анизотропных кремниевых в вакууме при давлении P = 10-3 Па при температуре нанокристаллов.

T = 130C в течение 1 ч, что приводило к стабилизации ¶ E-mail: forsh@vega.phys.msu.ru его электрических свойств.

Динамическая электропроводность анизотропно наноструктурированного кремния Рис. 1. Вольт-амперные характеристики для случая переноса носителей заряда вдоль кристаллографических направлений [001] (a) и [110] (b), измеренные при комнатной температуре. Частота переменного сигнала: 1 —5 Гц, 2 —10 МГц. На вставке —схема расположения электрических контактов на поверхности образца.

Рис. 2. Зависимости мнимой части импеданса (-Im Z) от действительной (Re Z), полученные при комнатной температуре, для кристаллографических направлений [001] (a) и [110] (b). Стрелками показано направление увеличения частоты. На вставке приведена одна из возможных эквивалентных электрических схем исследованных структур.

3. Экспериментальные результаты В случае эффекта Пула–Френкеля [11] электропроводность образца экспоненциально зависит от корня и их обсуждение квадратного из приложенного напряжения [8]. Анализ полученных в настоящей работе ВАХ показал, что В исследованных диапазонах температур и частот даже при частоте 5 Гц наблюдается более слабая, чем переменного сигнала вольт-амперные характеристики в эффекте Пула–Френкеля, зависимость электропровод(ВАХ) симметричны относительно полярности прилоности от приложенного напряжения. Это может быть женного напряжения. На рис. 1, a, b приведены ВАХ, измеренные при комнатной температуре при двух зна- связано с тем, что в случае динамической электрочениях частоты переменного сигнала, в случаях пе- проводности для наблюдения эффекта Пула–Френкеля необходимо прикладывать большие амплитуды сигнала, реноса носителей заряда вдоль кристаллографических превышающие напряжения смещения для статической направлений [001] (a) и [110] (b). Из рисунка видно, что ВАХ, являющиеся нелинейными при малых ча- электропроводности.

стотах переменного сигнала, становятся линейными с Нелинейность ВАХ может быть связана с наличием увеличением частоты. Нелинейные стационарные ВАХ, в структуре потенциальных барьеров. Тот факт, что полученные нами ранее для анизотропного ПК [6], ВАХ являются линейными при высоких частотах, может интерпретировались в рамках эффекта Пула–Френкеля. объясняться уменьшением с частотой роли потенциальФизика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 478 П.А. Форш, М.Н. Мартышов, В.Ю. Тимошенко, П.К. Кашкаров Рис. 3. Частотные зависимости удельной электропроводности для кристаллографических направлений [001] (a) и [110] (b), полученные при различных температурах T, K: 1 — 370, 2 — 330, 3 — 270, 4 — 210, 5 — 170.

ных барьеров в процессах переноса носителей заряда. При низких частотах переменного сигнала электриВ случае электрического транспорта вдоль оси [001] ческий транспорт носителей заряда определяется главнелинейность ВАХ на низких частотах более ярко ным образом сопротивлением потенциальных барьеров, выражена, чем для переноса вдоль оси [110]. Это свиде- поскольку Rb Rs. С увеличением частоты сигнала сотельствует о том, что влияние потенциальных барьеров противление Rb начинает „шунтироваться“ емкостью Cb.

на перенос носителей заряда вдоль оси [001] сильнее, Это приводит к тому, что при больших частотах перенос чем вдоль оси [110]. носителей заряда определяется RsCs -цепочкой.

На рис. 2, a, b показаны зависимости мнимой части Частотные зависимости удельной электропроводности импеданса (-Im Z) от действительной (Re Z), измерен- для двух указанных в работе кристаллографических наные при комнатной температуре, для переноса носи- правлений, измеренные при разных температурах, предтелей заряда вдоль кристаллографических направлений ставлены на рис. 3, a, b. Электропроводность (удельная) [001] (a) и [110] (b). Аналогичные зависимости бы- рассчитывалась по формуле ли получены во всем интервале указанных в работе l температур. На вставке к рис. 2 приведена одна из = Re, (2) возможных эквивалентных схем, позволяющая описать ad Z представленные зависимости. На эквивалентной схеме где l — расстояние между контактами, a — длина имеются две параллельные RC-цепочки, соединенные контактов, d — толщина образца. В случае переноса последовательно между собой. Одна цепочка (RbCb) носителей заряда вдоль кристаллографической оси [110] описывает влияние на перенос носителей заряда по(рис. 3, b) на частотной зависимости электропроводтенциальных барьеров, которые могут существовать как ности наблюдаются два участка. На первом участке, на контактах электродов (Al) с ПК, так и на границах при частотах f < 103 кГц, практически не зависит от между нанокристаллами. В этом случае Rb представляет частоты во всем интервале исследованных температур.

собой общее сопротивление, а Cb — общую зарядовую При больших частотах наблюдается второй участок, емкость всех имеющихся в структуре потенциальных характеризуемый ростом электропроводности с частобарьеров. Другую цепочку (RsCs ) можно отождествить той. В случае электрического транспорта вдоль крис сопротивлением (Rs ) и емкостью (Cs ) самой кремниесталлографической оси [001] характер частотной завивой структуры, уже без учета потенциальных барьеров.

Заметим, что сопротивление Rs может существенно пре- симости электропроводности несколько иной (рис. 3, a).

В частности, рост с частотой начинается при гораздо вышать сопротивление монокристаллической подложки, из которой был получен ПК. Это связано со значи- меньших значениях f, чем в случае электрического транспорта вдоль оси [110].

тельным уменьшением концентрации свободных дырок за счет захвата их на состояния ловушек, возникших в Обсуждая полученные результаты, заметим, что чарезультате травления. Импеданс представленной эквива- стотная зависимость электропроводности микро-ПК лентной схемы, очевидно, определяется выражением (c характерным размером нанокристаллов менее 5 нм), как правило, интерпретируется на основе модели прыжRs Rb Z = +, (1) кового механизма переноса носителей заряда между 1 + i2 f RsCs 1 + i2 f RbCb локализованными состояниями нанокристаллов [12,13].

где f — частота, i — мнимая единица. В случае исследуемого мезопористого ПК со средним Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Динамическая электропроводность анизотропно наноструктурированного кремния Рис. 4. Частотные зависимости емкости для кристаллографических направлений [001] (a) и [110] (b), полученные при различных температурах T, K: 1 — 370, 2 — 270, 3 — 170.

размером нанокристаллов порядка 10-100 нм квантово- будет происходить при более низких частотах. Поэторазмерный эффект не столь значительный, поэтому му рост в случае электрического транспорта вдоль можно считать, что энергетическая зонная диаграмма оси [001] начнется при более низких частотах, чем в для кремниевого нанокристалла такая же, как и для случае электрического транспорта вдоль направления объемного кремния. В этом случае перенос носителей [110] (рис. 3).

заряда (дырок) может происходить по делокализованЧастотные зависимости емкости для различных криным состояниям валентной зоны. Наличие барьеров сталлографических направлений и температур показаны между нанокристаллами приводит к активационной зана рис. 4, a, b. Чтобы не загромождать рисунок, завивисимости подвижности носителей заряда [8,9]:

симости приведены только для трех температур. Для определения емкости использовалась формула µ = µ0 exp(-Eb/kT). (3) Im Z Здесь Eb — высота потенциального барьера, µ0 — C =. (4) 2 f предэкспоненциальный множитель. Если, следуя работам [8,9], предположить, что высота потенциальных Как видно из рис. 4, емкость структуры существенно барьеров вдоль кристаллографической оси [001] выше, уменьшается с увеличением частоты. В области низких чем вдоль оси [110], то подвижность носителей заряда частот емкость определяется зарядовой емкостью име вдоль оси [001] будет ниже, чем вдоль оси [110]. Поющихся в структуре барьеров. С увеличением частоты скольку подвижность зависит от высоты потенциального зарядовая емкость барьеров Cb падает. Это может быть барьера экспоненциально, на эквивалентной схеме это связано с тем, что при больших частотах заряженные соприведет к сильному различию в значениях Rb, — стояния, определяющие барьерную емкость, не успевают значение Rb вдоль оси [001] будет значительно выше, перезаряжаться. При больших частотах емкость системы чем вдоль оси [110]. В то же время емкости Cb могут описывается в основном емкостью Cs и заметно слабее отличаться не столь заметно.

зависит от частоты.

При низких частотах переменного сигнала электро На рис. 5 показаны частотные зависимости анизотропроводность вдоль оси [110] практически не изменяется пии электропроводности, определяемой как отношение с частотой (рис. 3, b). Отсутствие зависимости от электропроводности 1 (вдоль направления [110]) к частоты переменного сигнала характерно для переноса электропроводности 2 (вдоль оси [001]), для различных носителей по делокализованным состояниям. Как уже температур. Во всем исследованном интервале частот и было сказано, на низких частотах проводимость определяется главным образом сопротивлением потенциаль- температур выполняется соотношение 1/2 1. В то ных барьеров Rb. При увеличении частоты сопротив- же время величина 1/2 максимальна в области низких частот и температур. Как показано на вставке к лениe Rb „шунтируется“ емкостью Cb, что приводит к наблюдаемому в эксперименте росту электропровод- рис. 5, отношение 1/2 демонстрирует сильный рост ности. Поскольку сопротивление Rb вдоль направле- при T < 270 K. Напротив, при T > 270 K анизотропия ния [001] существенно больше, чем для направления электропроводности практически перестает зависеть от [110], „шунтирование“ его соответствующей емкостью температуры. Это может свидетельствовать о различных Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 480 П.А. Форш, М.Н. Мартышов, В.Ю. Тимошенко, П.К. Кашкаров Рис. 5. Частотные зависимости анизотропии электропроводности (1/2), полученные при различных температурах T, K: 1 — 370, 2 — 330, 3 — 270, 4 — 210, 5 — 170. На вставке приведены температурные зависимости 1/2 для различных частот: 1 — f = 100 Гц, 2 — f = 1МГц.

механизмах электрического транспорта на переменном электропроводности может быть объяснена различисигнале для указанных температурных интервалов. ем высот потенциальных барьеров, расположенных на Анизотропия электропроводности при высоких часто- границах нанокристаллов, для различных направлений.

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.