WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 ||

запрещенной зоны кремния Ei, на границе раздела с ПК находится на расстояниях 0.185, 0.295 и 0.495 эВ ниже Ei соответственно на нелегированных и легированных 10-4 и 10-3M структурах.

В связи с перемещением уровня Ферми при понижении температуры к v-зоне граничные электронные состояния (ГЭС) p-Si подложки заряжаются положительно, что приводит к возрастанию s = -Vph. Такие участки роста s на зависимостях Vph(T ) наблюдаются для кривой 1 при T > 170 K, кривой 2 при T > 200 K.

Уменьшение s при T < 170 K для кривой 1 и при T < 200 K для кривой 2 свидетельствует о перестройке системы ГЭС на границе раздела ПК–p-Si при таких температурах, вызванных обратимыми структурными изменениями на ней [8,9]. На участках роста s с понижением температуры (когда еще нет перестройки системы ГЭС) можно оценить [13] плотность ГЭС. Оказалось, что на нелегированной структуре плотность ГЭС в энергетическом промежутке от 0.19 до 0.29 эВ ниже Ei возрастает от 1 · 1011 до 6 · 1011 см-2 · эВ-1, на легированной 10-4M структурe равна 2.5 · 1013 cм-2эВ-Рис. 2. Температурные зависимости фотоэдс Vph структур в области 0.4 эВ ниже Ei, а на легированной 10-3M ПК–p-Si (1), ПК Au, 10-4 –p-Si (2) и ПК Au, 10-3 -p-Si (3).

структуре у верха v-зоны концентрация составляет Сплошные кружки и треугольники — значения Vph, полу2 · 1015 см-2эВ-1.

ченные на первых импульсах соответственно красного (r) и Для кривой 3 (рис. 2) и для кривых 1 при T > 220 K белого (w) света; полые кружки и треугольники — значения и 2 при T > 210 K значения Vph, полученные на импульVph, полученные на вторых импульсах света.

r w сах красного (Vph) и белого (Vph) света, совпадали. Это означает, что сигналы фотоэдс формируются лишь за счет спрямления энергетических зон p-Si. Однако при T < 220 K для кривой 1 и T < 210 K для кривой большая величина ФЛ в области h >2.3 эВ по сравзначения Vph на импульсах белого и красного света нению с нелегированным образцом (рис. 1, кривые отличались, что связано с возникновением сигналов фои 2). Однако преимущественно свечение нанокристаллов золота проявляется только при его концентрации в растворе 10-3M, когда создается достаточно большое количество нанокристаллов золота, которые, поглoщая или отражая свет лазера, создают условия меньшего его поглощения нанокристаллами кремния.

Температурные зависимости фотоэдс Vph нелегированной (кривые 1) и легированных золотом (10-4M, кривые 2 и 10-3M, кривая 3) структур представлены на рис. 2 (сплошные кружки и треугольники получены на первых импульсах соответственно красного и белого света, полые — на вторых импульсах). Из рис. 2 видно, что до легирования все значения Vph отрицательные (минус на SnO2 Sb электроде), а после легирования значения Vph всегда положительные. Как отмечалось, значения Vph, полученные на красном свете, равны с обратным знаком граничному потенциалу s кремниевой подложки. Таким образом, вблизи комнатных температур на нелегированной структуре изгиб энергетических зон p-Si подложки „вниз“ составляет 0.11 эВ, а на легированных 10-4 и 10-3M — „вверх“ соответственно 0.10 и 0.20 эВ, т. е. легирование золотом структур ПК–p-Si сменяет приграничный слой истощения слоями, обогащенными дырками. Расчеты, выполненные как в [13], показываpor-Si Рис. 3. Температурные зависимости фотоэдс Vph в слоях ют, что уровень Ферми, находящийся при T 300 K в объеме p-Si на расстоянии 0.295 эВ ниже середины ПК (1) и ПК Au, 10-4 (2).

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Электронные и излучательные свойства пористого кремния, легированного золотом импульсом красного света или о суммарном захвате электронов на граничные ловушки и ловушки в слоях ПК во время освещения первым импульсом белого r w света. По разности зависимостей Vph(T ) и Vph(T ), полученных на первых и вторых импульсах (рис. 2), можно рассчитать температурные зависимости количества захваченных электронов как на граничные ловушки, так и на ловушки пленки ПК. Они приведены на рис. 4.

Видно, что с понижением температуры количество захватываемых электронов на граничные ловушки растет, а количество захватываемых электронов на ловушки ПК после быстрого роста при T 210-190 K сменяется его уменьшением при дальнейшем понижении температуры. Так как ловушки насыщались электронами при первом импульсе света, зависимости N(T ) (рис. 4) одновременно являются температурными зависимостями концентраций ловушек, захватывающих электроны на границе и в слое ПК. Немонотонная зависимость N(T ) для ловушек в слое ПК (кривая 2), возможно, связана с обратимыми структурными изменениями в слое ПК при изменении температуры, о чем свидетельтсвует por-Si близость ее характера к зависимости Vph (T ) (рис. 3, кривая 1).

На рис. 5 представлены вольт-амперные характеристики (ВАХ) структур Au–ПК–p-Si–Al и Рис. 4. Температурные зависимости концентраций захваченAu–ПК Au –p-Si–Al, полученные при приложении к ных неравновесных электронов в ловушки на границе p-Si (1) ним импульсов напряжения длительностью 15 мкс.

и в ловушки слоя ПК (2) для структуры ПК–p-Si.

Толщина слоя ПК была равной 5 мкм. Видно, что для нелегированной и легированной малой (10-4M) концентрацией золота структур ВАХ имеют диодный por-Si w r характер с коэффициентами выпрямления порядка тоэдс в слоях ПК и ПК Au, равных Vph = Vph - Vph, por-Si при поглощении в них белого света. Фотоэдс Vph наблюдается только в определенной области температур и обусловлена структурными напряжениями, возникающими в слоях ПК с изменением температуры, которые приводят к формированию встроенного заряда, который por-Si и вызывает появление Vph. Как видно из рис. 3, где por-Si приведены температурные зависимости Vph, фотоэдс в слоях ПК (кривая 1) и ПК Au (кривая 2) разного знака, что свидетельствует и о разных знаках встроенного заряда, появляющегося в этих слоях. Абсолютные por-Si значения Vph в обоих случаях сначала с понижением температуры возpастают, а затем уменьшаются, что отражает сложность процессов, происходящих в пленках с изменением температуры. При легировании золотом с концентрацией 10-3M (рис. 2, кривая 3) фотоэдс в пленке ПК Au вообще не возникает.

Легирование золотом структур ПК–p-Si при обеих используемых концентрациях приводит к исчезновению эффектов фотопамяти Vph [3], которые наблюдаются для нелегированной структуры (рис. 2, кривые 1) при освещении ее импульсами красного и белого света при температурах T < 180 и T < 210 K. Меньшие по абсолютной величине значения Vph, полученные на втором или любом последующем импульсе света в их цуге, Рис. 5. Вольт-амперные характеристики структур Au–ПК/ свидетельствуют о захвате неравновесных электронов на p-Si–Al (1), Au–ПК Au, 10-4 / p-Si–Al (2), Au–ПК Au, 10-3 / граничные ловушки p-Si во время освещения первым p-Si–Al (3).

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 600 В.Е. Примаченко, Я.Ф. Кононец, Б.М. Булах, Е.Ф. Венгер, Э.Б. Каганович, И.М. Кизяк...

туре удалось наблюдать электролюминесценцию (ЭЛ), которая возникала при напряжении 40 В независимо от его полярности. Величина интенсивности ЭЛ Iel была больше, когда к p-Si прилагалось положительное напряжение V. C увеличением амплитуды импульсов напряжения соотношение между интенсивностями Iel ЭЛ при двух полярностях импульсов стремилось к единице (рис. 6). Как видно из рис. 6, зависимости Iel(V ), начало которых находится в области сверхлинейности ВАХ, сами сверхлинейны, что характерно при свечении островковых пленок металла, в которых интенсивность свечения пропорциональна введенной в пленку мощности [5], что хорошо реализуется и в наших экспериментах. Мы полагаем, что в нашем случае излучают именно островки золота, так как получить свечение островковой пленки кремния по сравнению с островковой пленкой золота было затруднительно [5]. Кроме того, на наших нелегированных структурах ПК–p-Si, имеющих лишь островки (нанокристаллы) кремния, ЭЛ не проявлялась при приложении напряжения вплоть до ±150 В, когда прямой ток ВАХ достигал величины 7.5 А/см2. Появление же ЭЛ на структуре ПК Au –p-Si, легированной концентрацией 10-3M, наблюдалось при токе 0.8 А/см2.

Для получения более эффективной ЭЛ мы полагаем в Рис. 6. Зависимость интенсивности ЭЛ от напряжения V дальнешем перейти к легированию более тонких слоев на Au–ПК Au, 10-3 / p-Si–Al структуре. 1 — плюс на p-Si, ПК, к тому же выращенных на n-Si, где ЭЛ имеет 2 —минус на p-Si.

значительно лучшие параметры [14–16].

4. Заключение и 30 соответственно (при смещении 4B). Прямое (пропускное) направление тока соответствует прило1. На основании исследования температурных завиженному к p-Si положительному напряжению. Меньшие симостей фотоэдс показано, что легирование структур значения прямого тока для слаболегированной (10-4M) ПК–p-Si золотом путем обработки их в водном растворе структуры по сравнению с нелегированной вызваны, по AuCl3 с концентрациями 10-4 и 10-3M приводит к нашему мнению, процессами окисления нанокристаллов изменению истощенного приграничного слоя p-Si на кремния, что затрудняет прохождение тока через сильно обогащенный дырками слой, изменяет величину ПК, учитывая, что еще нанокристаллов золота и знак фотоэдс в слое ПК, ликвидирует эффекты фотопанедостаточно много. Ток обратной ветви легированной мяти, связанные с захватом неравновесных электронов (10-4M) структуры во всем диапазоне напряжений в ловушки на границе p-Si и в слое ПК. Легирование (0–10 В) примерно в 3 раза больше обратного тока также существенно увеличивает плотность граничных нелегированной структуры. На легированной большей электронных состояний ГЭС (до 2 · 1015 см-2эВ-1).

(10-3M) концентрацией примеси золота структуре 2. Легирование структуры ПК–p-Si золотом при исвыпрямления тока нет. В пределах от +4 до -4B пользовании концентрации 10-4M приводит к некотороВАХ имеют омический характер с сопротивлением му росту быстровременной и интегральной по времени структуры, имеющей площадь 1 см2, равным 65 Ом.

релаксации фотолюминесценции (ФЛ), что связано с Таким образом, легирование золотом уменьшает или окислением нанокристаллов кремния. Легирование же ликвидирует барьер для прохождения тока через с концентрацией 10-3M существенно уменьшает инПК–p-Si переход. Отметим, что это согласуется с тенсивность ФЛ (особенно интегральной) и изменяет результатами измерения фотоэдс, которые показали, спектральное распределение быстровременной компочто легирование изменяет приповерхностный слой ненты ФЛ, что обусловлено перераспределением вклада истощения p-Si на слой сильного обогащения дырками.

На структуре, легированной золотом с концентрацией в ФЛ свечения нанокристаллов кремния и свечения 10-3M, при больших положительных и отрицательных нанокристаллов золота, образующихся в пленке ПК при напряжениях (больше 8 В) ток возрастает быстрее, чем ее легировании.

по линейному закону, что характерно для проводимости 3. Легирование золотом существенно изменяет островковых пленок различных металлов [5]. В нашем вольт-амперные характеристики (ВАХ) структур случае это может быть в принципе проводимость по Au–ПК–p-Si–Al, что связано с ликвидацией истощенного смеси островков золота и кремния. Только на этой струк- слоя p-Si подложки, с окислением нанокристаллов Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Электронные и излучательные свойства пористого кремния, легированного золотом кремния в слое ПК, а также с созданием в Electronic and radiative properties слое ПК нанокристаллов золота. На структуре of porous silicon doped by gold Au–ПК Au, 10-3M -p-Si–Al обнаружена электролюV.E. Primachenko, Ja.F. Kononets, B.M. Bulakh, минесценция, связанная со свечением нанокристаллов E.F. Venger, E.B. Kaganovich, I.M. Kizyak, S.I. Kirillova, золота.

E.G. Manoilov, Yu.A. Tsyrkunov V.E. Lashkarev Institute of Semiconductor Physics, Список литературы National Academy of Sciences of Ukraine 03028 Kiev, Ukraine [1] A.G. Gullis, L.T. Canham, P.D.J. Calcott. J. Appl. Phys., 82, 909 (1997).

[2] D. Kovalev, H. Heckler, G. Polisski, F. Koch. Phys. Status

Abstract

Porous silicon (por)-Si–p-Si structures were obtained Solidi B, 215, 871 (1999).

by anodization of p-Si and then were doped with Au ions in an [3] В.Е. Примаченко, О.В. Снитко. Физика легированной aqueous solution (concentration 10-4 and 10-3M). Temperature металлами поверхности полупроводников (Киев, Наук.

dependences of the photovoltage under the pulse excitation by думка, 1988).

red and white light of large intensity and time-resolved relaxation [4] I. Coulthard, R. Sammyniaken, S.J. Naftel, P. Zhang, spectral dependence of photoluminescence were investigated.

T.K. Sham. Phys. Status Solidi A, 182, 157 (2000).

After applying semitransparent gold electrodes on the por-Si, [5] R.D. Fedorovich, A.G. Naumovets, P.M. Tomchuk. Phys.

current–voltage characteristics and the electroluminescence of Reports, 328 (2–3), 74 (2000).

por-Si–p-Si and por-Si– Au –p-Si structures were investigated [6] Э.Б. Каганович, И.М. Кизяк, С.И. Кириллова, В.Е. При- too. It has been shown that the gold doping changes the маченко, С.В. Свечников. Оптоэлектрон. и полупроводн.

boundary potential of p-Si from the positive to the negative техн., № 37, 136 (2002).

one, changes the value and the photovoltage sign in the por-Si [7] Е.Ф. Венгер, С.И. Кириллова, И.М. Кизяк, Э.Г. Манойлов, films, erases the photomemory phenomena connected with the В.Е. Примаченко. ФТП, 38, 117 (2004).

capture of nonequilibrium electrons in the boundary traps of [8] Е.Ф. Венгер, Т.Я. Горбач, С.И. Кириллова, В.Е. Примачен- p-Si and in those of a porous layer. The current-voltage and ко, В.А. Чернобай. ФТП, 36, 349 (2002).

photoluminescence characteristics have been drastically changed [9] Е.Ф. Венгер, Э.Б. Каганович, С.И. Кириллова, Э.Г. Ма- after doping due to the formation of gold nanocrystals in the нойлов, В.Е. Примаченко, С.В. Свечников. ФТП, 33, porous silicon. The electroluminescence caused by the light (1999).

emission from Au–por-Si Au, 10-3M –p-Si–Al structures has [10] Э.Б. Каганович, Э.Г. Манойлов, С.В. Свечников. УФЖ, 46, been observed.

1196 (2001).

[11] L. Burstein, Y. Shapira, J. Partee, J. Shinar, Y. Lubianiker, I. Balberg. Phys. Rev. B, 55, R 1930 (1997).

[12] З.С. Грибников, В.И. Мельников. ФТП, 2, 1352 (1968).

[13] S.I. Kirillova, V.E. Primachenko, E.E. Venger, V.A. Chernobai.

Semicond. Phys., Quant. and Optoelectron., 4, 12 (2001).

[14] W. Long, P. Steiner, F. Kozlowski. J. Luminesc., 57, (1993).

[15] N. Labic, J. Linnros. J. Appl. Phys., 80, 5971 (1996).

[16] С.К. Лазарук, П.В. Жагиро, А.А. Лешок, В.Е. Борисенко.

Изв. АН. Сер. физ., 66, 179 (2002).

Pages:     | 1 ||



© 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.