WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 5 Исследование фотоэдс в структурах пористый Si /Si методом импульсного фотонапряжения © В.Ю. Тимошенко, Е.А. Константинова, Т. Дитрих Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 119899 Москва, Россия Технический университет Мюнхена, D-85747 Гархинг, Германия (Получена 26 мая 1997 г. Принята к печати 7 июня 1997 г.) Фотовольтаические явления в структурах пористый Si /Si (por-Si/p-Si) исследованы методом импульсного фотонапряжения в интервале времен 100 нс–10 мс при облучении наносекундными лазерными импульсами с энергиями квантов 1.4, 2.0, 2.8 и 3.7 эВ. Полученные данные свидетельствуют о том, что кроме барьерной фотоэдс, обусловленной разделением неравновесных носителей заряда в области пространственного заряда p-Si на границе раздела por-Si/p-Si, также существует эффективный механизм формирования фотоэдс в результате перезарядки поверхности наноструктуры por-Si. Данный механизм реализуется специфическим для полупроводниковых наноструктур образом, объясняемым как ”оптическое легирование” полупроводника.

1. Введение измерения ИФН выполнены только для двух энергий световых квантов, что не позволяет однозначно сделать В последнее время интенсивно исследуются электрон- вывод о природе формируемой фотоэдс. Кроме того, ные явления в пористом Si (por-Si). Наиболее хорошо для выявления характерных особенностей фотоэдс в изучены его структурные, оптические и люминесцентные наноструктурах por-Si необходимы сравнительные экспесвойства [1,2]. Установлено, что квантово-размерный рименты на поверхностях c-Si с аналогичным молекулярэффект и молекулярное покрытие наноструктур игра- ным покрытием.

ют определяющую роль в явлении фотолюминесценции В данной работе исследование структур por-Si/p-Si (ФЛ). В работах [3,4] была исследована проводимость методом ИФН выполнялось с использованием наносеpor-Si и сделан вывод о прыжковом механизме пере- кундных лазерных импульсов с энергиями квантов 1.4, носа носителей заряда, что свидетельствует о наличии 2.0, 2.8 и 3.7 эВ. Анализировались фотовольтаические большого числа ловушек — центров захвата заряда. явления в свежеприготовленных и окисленных образцах, Отдельные работы посвящены изучению фотовольтаи- а также для сравнения были исследованы в аналогичных условиях монокристаллы p-Si. Предложена модель ческих явлений в этом материале. Барьерная фотоэдс в формирования фотоэдс, объясняющая полученные эксструктуре металл/por-Si была обнаружена и исследована периментальные результаты и хорошо согласующаяся с в работе [5]. Фотопроводимость [6,7] и фотоэдс [8,9] в структуре металл/por-Si/p-Si изучались в видимом спек- данными КРП [11,12].

тральном диапазоне. В работе [10] была обнаружена латеральная фотоэдс в слоях por-Si. Однако механизмы 2. Методика эксперимента формирования фотоэдс в por-Si остаются предметом дискуссий. Кроме того, в большинстве случаев неконСтруктуры por-Si/p-Si были сформированы анодной тролируемые контактные явления на границе раздела обработкой пластин p-Si ( = 10 Ом · см) с ориентациметалл/por-Si осложняют интерпретацию результатов исей (100) в растворе HF: C2H5OH : H2) (1:2:1) при плотследования.

ности тока 30 мА/см2 в течение 5 мин. Толщина пористоВ наших предыдущих работах было показано, что го слоя составляла порядка 5 мкм. Одна часть образцов бесконтактный метод измерения контактной разности была исследована непосредственно после приготовлепотенциалов (КРП) по схеме Кельвина может быть ния. Другая часть подвергалась выдержке на воздухе успешно использован для исследования фотовольтаичев течение нескольких месяцев (окисленные образцы).

ских эффектов в por-Si [11,12]. Захват заряда с временаПластины p-Si, используемые для сравнения, выдержими релаксации порядка нескольких минут и более был вались в HF без пропускания тока. Объемное время жиззафиксирован в окисленном por-Si. Регистрировались ни носителей заряда в монокристаллах p-Si составляло как положительные, так и отрицательные значения сиг- 0 = 20 мкс [14]. Поверхность свежеприготовленных налов КРП в процессе освещения образцов излучением образцов, согласно нашим данным по пропусканию в инс разными энергиями квантов. Но механизмы формиро- фракрасной области излучения [12], пассивирована водования фотоэдс не были до конца выяснены, поскольку родом. В окисленном por-Si преобладают связи Si–O [12].

КРП измерялась на временах, превышающих 0.1 с. В Поверхность монокристаллического p-Si, обработанного работе [13] фотовольтаические эффекты в por-Si иссле- в HF, характеризуется водородным покрытием [15].

довались с разрешением 100 нс методом импульсного Измерения выполнялись в атмосфере сухого азота по фотонапряжения (ИФН). К сожалению, в этой работе схеме конденсатора, одной из обкладок которого служил 614 В.Ю. Тимошенко, Е.А. Константинова, Т. Дитрих Рис. 1. Зависимость коэффициентов поглощения por-Si (сплошные линии) и c-Si (пунктирная линия) от энергии оптических квантов. Величины (h) для por-Si получены из измерений пропускания отслоенных пленок (жирная линия) и из работы[20] по данным фототермической отклоняющей спектроскопии (PDS, тонкая линия). Значения (h) для c-Si взяты из работы [21].

исследуемый образец, а другой — полупрозрачный ме- го пропускания и данных метода фотоотклоняющей спекталлический электрод, отделенный от поверхности por-Si троскопии (photothermal deflection spectroscopy). Отмепластинкой слюды толщиной 10 мкм. Сигнал ИФН из- тим, что результаты приведены без корректирровки на мерялся относительно полупрозрачного металлическо- пористость. Величины (h) для c-Si, взятые из спраго электрода. Кинетика фотонапряжения, возбуждаемо- вочника, показаны на рисункп для сравнения. Согласно го моноимпульсным лазерным облучением, регистри- рис. 1, глубина проникновения света -1 в por-Si преровалась с помощью цифрового вольтметра Tektronix вышает 10 мкм для h <2 эВ и составляет меньше чем RTD 710A. Полоса пропускания в наших экспериментах 1мкм для h > 2.5 эВ. Следовательно, можно считать, составляла 102 107 Гц. Для возбуждения использова- что используемые слои por-Si практически прозрачны лись следующие лазеры: полупроводниковый лазерный для h 2 эВ и непрозрачны для h >2.5эВ.

диод (h1 = 1.4эВ, = 150 нс, W = 1мкДж/см2), азотный лазер и накачиваемые им лазеры на красителях 3.2. Измерения импульсного фотонапряжения (h2 = 2.0эВ, h3 = 2.8эВ, h4 = 3.7эВ, 1нс, для пластин p-Si W = 0.01-0.02 мкДж/см2). Дополнительная информация получалась из оптических измерений фотолюминес- Кинетика фотонапряжения UPV (t) после воздействия ценции и поглощения. Для этой цели использовались лазерных импульсов максимальной интенсивности на моотслоенные по окончании электрохимического процесса нокристаллические пластины p-Si показана на рис. 2. Как пленки por-Si. видно из рисунка, временное положение максимума амплитуды сигнала практически соответствует временному положению лазерного импульса. Кривые UPV (t) схожи 3. Результаты и их обсуждение между собой для энергий возбуждения в интервале h1-h3. Характер релаксации близок к экспоненциаль3.1. Оптические свойства пористого Si ному (ср. кривые 1–3 и расчетную экспоненциальную Максимумы спектров ФЛ свежеприготовленных и оки- кривую 5). Для энергии квантов h4 отличие кинетики сленных образцов находились в области = 700 нм при UPV (t) от экспонециальной зависимости увеличиваетвозбуждении ультрафиолетовым светом с энергией кван- ся. Время релаксации фотонапряжения, измеренное по тов h4. Однако интенсивность свечения окисленного уменьшению его амплитуды в e раз, приблизительно por-Si была в 7 раз выше, чем свежеприготовленного. равно 50 мкс для всех энергий квантов возбуждения.

Вероятно, это обусловлено более качественной пасси- Амплитуда и знак ИФН свидетельствуют о том, что вацией поверхности нанаоструктур оксидным слоем. Из- регистируемый сигнал в основном обусловлен барьемеренный нами внешний квантовый выход окисленных роной фотоэдс вследствие разделения неравновесных образцов составил примерно 0.2%. носителей заряда (ННЗ) в электрическом поле припоНа рис. 1 представлен коэффициент поглощения (h) верхностной области. Тем не менее ряд особенностей для por-Si, вычисленный на основе измерений оптическо- кинетики UPV (t) на начальном их этапе и на временах Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Исследование фотоэдс в структурах пористый Si /Si методом импульсного фотонапряжения Рис. 2. Кинетика фотоэдс UPV для p-Si после освещения лазерными импульсами (энергия квантов hi указана на рисунке). Кривая соответствует расчетной зависимости экспоненциальной релаксации фотоэдс при = 50 мкс.

более 100 мкс, по-видимому, связаны с захватом ННЗ состояния сильно влияют на амплитуду фотоэдс при на поверхностные состояния. Обсудим их. Как видно из высоком уровне инжекции. Захват заряда на быстрые рис. 2, резкое уменьшение |UPV | происходило в течение состояния, на наш взгляд, наиболее ярко выражен для случая возбуждения приповерхностной области светом 0.2 мкс после освещения. Мы предполагаем, что данная особенность обусловлена поверхностной фото- с энергией квантов h4 (рис. 2, кривая 4). Характер зависимостей UPV (t) на временах больше 100 мкс и их эдс в результате образования положительного заряда отличие от экспоненциального спада (”хвосты”) верона поверхностных состояниях. Согласно [16], быстрые ятно могут быть обусловлены выбросом захваченного положительного заряда и (или) захватом отрицательного заряда.

max Было обнаружено, что зависимость |UPV | от интенсивности освещения выходит на насыщение (рис. 3, кривые 1, 2). Последнее свидетельствует о распрямлении зон в приповерхностном слое при максимальной интенсивности возбуждения. Максимальная избыточная концентрация носителей заряда составляла n W/h = 5 · 1015 см-3 для облучения с h1 и n 1015 см-3 для импульсов в диапазоне h2-h4, что соответствует уровню инжекции n/ni 105, где ni = 1010 см-3 — собственная концентрация носителей заряда. Этого достаточно для распрямления зон в исследуемых образцах [16,17]. Если пренебречь влиянием быстрых состояний, то максимальная амплитуда ИФН определяется как |UPV |max = Y0 - UD, (1) где Y0 — исходный поверхностный потенциал. Эдс Дембера UD дается следующим выражением:

Рис. 3. Зависимости максимальной амплитуды фотоэдс b - 1 n b + UD = ln 1 +, (2) |UPV |max от интенсивности возбуждения I при освещении свеb + 1 ni + b/ том с энергиями h1, h2 для p-Si (1, 2) и образцов por-Si/pгде b = µe/µn обозначает отношение подвижностей Si: 3 — свежеприготовленного, 4 — окисленного. На рисунке por-Si обозначен как PS. электронов и дырок, = ni/n0 = p0/ni — параметр Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 616 В.Ю. Тимошенко, Е.А. Константинова, Т. Дитрих Рис. 4. Кинетика фотоэдс UPV для свежеприготовленных структур por-Si/p-Si при возбуждении лазерными импульсами с энергиями квантов hi, указанными на рисунке.

”несобственности” полупроводника, n0 и p0 — концен- при освещении с энергиями квантов h3 и, особенно, трации электронов и дырок в равновесном состоянии h4 (рис. 4). Хвосты зависимостей UPV (t), вероятно, соответственно. Эдс Дембера с учетом n/ni 105, обусловлены процессами перезарядки в самом пористом b = 3, = 105 равна примерно 30 мВ. Следователь- слое. Низкий сигнал для h3 может быть связан с но, получим Y0 = 0.63 эВ, что указывает на наличие поглощением света в самом por-Si. Согласно рис. 1, слоя обеднения основными и обогащения неосновными интенсивность света с h3, доходящего до подложки, носителями заряда в приповерхностной области p-Si. уменьшается более чем в 10 раз по сравнению с интенНаличием слоя инверсии проводимости на поверхности, сивностью излучения с энергией h1 за счет поглощения вероятно, можно объяснить рост времени релаксации в пористом слое. Поскольку por-Si не прозрачен для ИФН по сравнению с объемным временем 0 [18]. квантов с энергиями h4, амплитуда ИФН оказывается наименьшей. Эта величина (UPV 20 мВ) близка к значению UD. На наш взгляд, последнее означает, что в 3.3. Измерения ИФН для свежеприготовленных свежеприготовленных пористых слоях встроенного элекструктур por-Si/p-Si трического поля не существует. Однако электрические Перейдем к обсуждению кинетики ИФН свежеприполя могут индуцироваться заряжением при освещении.

готовленных структур por-Si/p-Si (рис. 4). Поскольку Положительным заряжением можно объяснить хвосты в por-Si практически прозрачен для света с энергиями h1 зависимости UPV (t) для t > 100 мкс (рис. 4, кривая 4).

и h2, можно предположить, что ИФН формируется в p-Si на границе раздела por-Si/p-Si. Зависимость |UPV |max 3.4. Измерения ИФН для окисленных структур от интенсивности возбуждения представлена на рис. por-Si/p-Si (кривая 3). Принимая во внимание насыщение этой зависимости и приведенные выше выражения (1) и (2), Обсудим результаты, полученные для окисленных получаем, что величина исходного изгиба энергетиче- структур por-Si/p-Si (рис. 5). Как видно из рисунка, суских зон в p-Si на границе раздела por-Si/p-Si составляет ществуют некоторые различия в кинетике ИФН для окипорядка 0.51 эВ. Эта величина оказалась меньше, чем Y0 сленных и свежеприготовленных образцов. Во-первых, для поверхности p-Si, обработанного в том же электро- зарегистрировано меньшее значение |UPV |max. Из налите. Y0 может уменьшаться в результате захвата заряда сыщающихся зависимостей |UPV |max от интенсивности и (или) из-за различий в энергиях электронов por-Si возбуждения (рис. 3, кривая 4) было получено, что и c-Si. Последнее является результатом квантового изгиб энергетических зон на границе раздела por-Si/p-Si ограничения носителей заряда в наноструктурах por-Si. окисленных структур составил примерно 0.43 эВ. ВоВажной особенностью кинетик ИФН свежепригото- вторых, следует отметить явно выраженную неэкспоненвленных структур por-Si/p-Si является наличие долго- циальную форму кинетики ИФН при возбуждении кванвременных ”хвостов” и резкое уменьшение амплитуды тами с энергиями в диапазоне h1-h3. Это вероятно, Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Исследование фотоэдс в структурах пористый Si /Si методом импульсного фотонапряжения Рис. 5. Кинетика фотоэдс UPV для окисленных структур por-Si/p-Si при возбуждении лазерными импульсами с теми же энергиями квантов, что и на рис. 3.

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.