WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 7 Оптические и электрические свойства тонких пластин, изготовленных из нанокристаллических порошков кремния © Н.Н. Кононов¶, Г.П. Кузьмин, А.Н. Орлов+, А.А. Сурков, О.В. Тихоневич Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук, 119991 Mocква, Россия + Центр естественно-научных исследований при Институте общей физики Российской академии наук, 119991 Москва, Россия (Получена 25 октября 2004 г. Принята к печати 29 ноября 2004 г.) Исследованы инфракрасные спектры пропускания и темновая проводимость пластин, изготовленных из порошков нанокристаллического кремния (nc-Si). Исходные порошки nc-Si синтезировались методом лазерно-индуцированной диссоциации силана в диапазоне температур окружающего буферного газа от 20 до 250C и затем прессовались при давлениях от 108 до 109 Па. Обнаружено, что в процессе прессования порошков nc-Si в них формируются структуры Si–H, Si–CHx и Oy–Si–Hx (x, y = 1-3). Образованные структуры разрушаются при отжиге пластин, причем наименьшая температура отжига (t = 160C) требуется для разрушения комплексов Si–H, Si–CHx. Показано, что темновая проводимость пластин nc-Si возрастает с увеличением температуры буферного газа, при которой синтезировался исходный порошок. Обнаружено, что существуют две температурные области, в которых темновая проводимость пластин имеет качественно различный характер. При температурах пластин T 270 K проводимость связана со свободными носителями заряда, в то время как при меньших температурах электронный транспорт определяется прыжковой проводимостью по локализованным состояниям в запрещенной зоне.

1. Введение в этом случае неизбежны потери мощности лазерного излучения и соответствующее удорожание технологичеНанокристаллический кремний (nc-Si) является весьского процесса.

ма перспективным материалом для производства оптоДля того чтобы обеспечить заметное поглощение электронных приборов (таких, например, как солнечные CO2-лазерного излучения, необходимо поддерживать добатареи и тонкопленочные транзисторы [1], газовые статочно большое давление в струе силана. Так как сенсоры [2,3]), а также наноструктурной керамики [4].

в схеме LICVD поперечное расширение струи ограГлавным структурным элементом, который наиболее ничивается коаксиальным потоком буферного газа (арчасто используется в исследованиях свойств нанокригон, гелий), распространяющегося параллельно струе сталлического кремния, являются тонкие (10–100 нм) и участсвующего в формировании частиц кремния, в пленки на различных подложках. Основой технологии реакторной камере требуется также поддерживать досоздания таких пленок является нанесение на подложку статочно большое давление буферного газа. По этой кластеров Si, которые образуются в плазме высокопричине технология получения наноразмерных частиц частотного разряда при диссоциации молекул силана Si, связанная с CO2-лазерным разложением силана, мо(plasma-enhanced chemical vapour deposition — PECVD).

жет быть реализована только при давлениях буферного Другим способом диссоциации молекул силана (SiH4) газа в реакторной камере 100 Topp. Вместе с тем, как является нагрев струи силана излучением непрерывного показывают многочисленные исследования (см., наприCO2-лазера (laser-induced chemical vapour deposition — мер [6]), средние размеры частиц при прочих равных LICVD). Такой нагрев оказывается возможным вследусловиях увеличиваются с ростом давления буферного ствие того, что наиболее сильные линии генерации газа в реакторной камере. Поэтому использование опиCO2-лазера, такие, напримеp, как P(18) и P(20) с волсанной технологии позволяет получать порошки Si, в новыми числами 18 = 945.98 см-1 и 20 = 944.19 см-1, которых максимум распределения частиц по размерам попадают в контур поглощения молекулы SiH4, соответнаходится в области 10 нм.

ствующего деформационным колебаниям и центрируюДля того чтобы уменьшить давление буферного гащегося вблизи волнового числа SiH = 970 см-1 [5]. Одза и при этом не допустить уменьшения поглощения нако вследствие значительной отстройки центра этой полазерного излучения в струе силана, мы использовали лосы от сильных линий лазерной генерации поглощение нагрев буферного газа в зоне синтеза наночастиц до темв силане является недостаточно сильным, что снижает ператур 200-300C. Cледствием такого нагрева явилось эффективность лазерного нагрева. Данную трудность увеличение первоначальной температуры струи силана можно преодолеть, если с помощью дифракционной и значительное увеличение поглощения в ней излучения решетки, установленной в резонаторе CO2-лазера, полуCO2-лазера. В результате при интенсивности сфокусичать генерацию на других вращательных уровнях колерованного лазерного излучения 103 Вт/см2 мы смогли бательного перехода 0001-1000 молекулы CO2, однако зажечь оптический разряд при давлениях буферного газа ¶ E-mail: nnk@kapella.gpi.ru 50 Topp.

Оптические и электрические свойства тонких пластин... Повышение температуры буферного газа в зоне синте- давлениях от 108 до 109 Па, в результате которого полуза позволяет также управлять структурой образующихся чались пластины толщиной от 50 до 100 мкм, имевшие частиц Si. Это в первую очередь связано с увеличением форму дисков диаметром 1 см.

диффузионной подвижности атомов Si, что приводит Пластины из nc-Si и исходные порошки могли отжик формированию нанокристаллов с меньшей концен- гаться в атмосфере аргона при температурах вплоть до трацией дефектов [7]. Кроме того, при более высоких 400C и в вакууме до 800C.

температурах буферного газа атомы водорода, которые Спектры пропускания исходных порошков nc-Si и присутствуют в продуктах диссоциации силана, более сделанных из них пластин регистрировались с помощью интенсивно внедряются в структурную сетку наноча- 2-лучевого спектрофотометра „Specord-M80“ с разрешестиц Si, пассивируя такие дефекты кристаллической нием 4 см-1.

решетки, как моно- и дивакансии, возникающие при Для измерения темновой проводимости пластины насинтезе частиц. нокристаллического кремния зажимались между двумя титановыми дисками диаметром 1 см, которые играли роль электродов. Титановые электроды были выбраны 2. Детали эксперимента после серии измерений с электродами из разных металлов, так как при контакте с эталонными пластинами Исходные порошки наноразмерного кремния формииз легированного кристаллического кремния n-типа проровались в проточном газодинамическом реакторе при водимости с удельным сопротивлением 10 Ом · cм эти скоростях потоков SiH4 100 см3/мин и аргона (в качестве электроды имели наименьшее контактное сопротивлебуферного газа) 1000 см3/мин. Средние размеры частиц ние, равное 0.8 Ом.

порошков nc-Si, полученных при температуре буферного Измерения темновой проводимости проводились в газа tAr = 20C, составляли 20 нм [8].

течение первых часов после получения порошков и Буферный газ вблизи зоны синтеза наночастиц мог наизготовления из них пластин с тем, чтобы слой поверхгреваться до температуры 300C нихромовой спиралью, ностного окисла был достаточно тонким. Омический хазаключенной в высокотемпературную керамику, смонтирактер контактов титан/nc-Si проверялся по линейности рованную на вертикальном цилиндрическом стакане из вольт-амперной характеристики для каждого образца.

кварца. Температура газа измерялась с помощью терДля измерения силы тока через пластину nc-Si послемопары, расположенной на внутренней стенке стакана довательно с ней соединялся прецизионный резистор, (см. рис. 1). На противоположных стенках стакана были падение напряжения на котором измерялось с помощью сделаны отверстия, через которые проходило сфокусивысокоомного вольтметра Щ-68003. В этой же геометрованное излучение CO2-лазера, греющее струю силана.

рии определялся знак термоэдс, откуда установлено, что Изготовленные порошки в специальной пресс-форме все изучаемые пластины имеют проводимость n-типа.

из закаленной стали подвергались прессованию при 3. Инфракрасные спектры поглощения Спектры пропускания исходных порошков nc-Si, синтезированных при различных температурах буферного газа, практически не отличаются и содержат очень слабо выраженные колебательные полосы (см. кривую 1 на рис. 2). Однако в процессе прессования порошков в них возникают интенсивные полосы поглощения, центры которых (отмечены стрелками) расположены вблизи волновых чисел: 2070, 2170, 2210, 2850, 2930, 2990 и 3420 см-1.

Характерной особенностью образующегося пика поглощения вблизи 2070 см-1 является зависимость его высоты от температуры потока буферного газа tAr в зоне синтеза наночастиц. На рис. 2 показаны спектры пропускания пластин, которые были изготовлены из порошков nc-Si, синтезированных при различных температурах потока буферного аргона (кривые 2 и 3). Из сравнения этих спектров видно, что интенсивность пика при 2070 см-1 заметно возрастает по сравнению с пиками вблизи 2170 и 2210 cм-1 в том случае, когда исходный Рис. 1. Схематическое изображение камеры для синтеза порошок формируется при более высокой температуре.

порошков нанокристаллического кремния. 1 — кварцевый цилиндр, 2 — нагреватель потока буферного газа, 3 —тер- Так как полоса вблизи 2070 см-1 определяется колебамопара, 4 — синтезированный порошок nc-Si. тельным поглощением на связях Si–H [9], увеличение Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 870 Н.Н. Кононов, Г.П. Кузьмин, А.Н. Орлов, А.А. Сурков, О.В. Тихоневич интенсивности пика указывает на рост концентрации 3420 см-1, в то время как остальные полосы с помощью водорода в порошках nc-Si, синтезированных при более такого отжига можно ликвидировать. Следовательно, высоких температурах. полосы 2210 и 3420 см-1 должны быть обусловлены При отжиге пластин в атмосфере аргона в течение наличием структурных кислородсодержащих связей в 30 мин пики, центрирующиеся вблизи 2070, 2170, 2850, пластинах наноразмерного кремния. Изменение интен2930 и 2990 см-1, исчезают, причем для исчезновения сивности пика поглощения пластины с центром вблизи пиков 2070, 2850, 2930 и 2990 см-1 требуется наимень- 2170 см-1 при предварительном отжиге порошка имеет шая температура отжига t = 160C, в то время как пик промежуточный характер между динамикой полос 2210, 2170 см-1 исчезает только при температурах, больших 3420 см-1 и остальных полос поглощения. Именно, 300C. высота пика 2170 см-1 при предварительном отжиге В то же самое время интенсивность поглощения в пи- исходного порошка уменьшается относительно пика ке при 2210 см-1 практически не изменяется при отжиге 2210 cм-1, однако ослабление поглощения существенно меньше по сравнению с остальными пиками. Поэтому пластины в аргоне вплоть до температур t = 300C.

с большой долей достоверности можно утверждать, что Заметные изменения формы этого пика наблюдаются, пик 2170 см-1 также определяется наличием кислородкогда температура отжига достигает 400C. Отжиг же содержащих связей, т. е. групп O2–Si–H2, в структурной в вакууме в течение 30 мин при температуре 700C сетке наночастиц, из которых состоит изучаемая плаприводит к его полному исчезновению. При температуре стина. Если полосу с центром при 3420 см-1 связать с отжига в аргоне, большей 400C, заметно уменьшается широкая полоса поглощения с центром 3420 см-1, при- колебательным поглощением на молекулах воды [5], то чем характерно, что одновременно с процессом исчезно- можно утверждать, что наиболее вероятной причиной появления указанных выше пиков является экспозиция вения этой полосы происходит формирование довольно исходных порошков во влагосодержащей атмосфере.

узкого пика с волновым числом 3750 см-1.

Пик 2210 см-1 определяется колебательным погло- Наличие воды, адсорбированной на поверхности наночастиц, может служить также причиной формирования щением структур O3–Si–H [10,11], полоса поглощения пика поглощения вблизи 3750 cм-1, который, как уже вблизи 2170 см-1 может быть связана с наличием отмечалось, возникает при отжиге пластин при темпекак цепочечных структур SiH2–SiH3 [12], так и групп ратурах t > 400C. В соответствии с [14,15] этот пик O2–Si–H2 [13]. Для того чтобы определить принадлежможно приписать колебательному поглощению групп ность данной полосы к одной из указанных структурO–H в связях Si-OH. Образование таких связей ных групп, был проведен сравнительный анализ спекв данном случае определяется следующей реакцией:

тров пропускания пластины, подвергнутой отжигу в H2O+ Si–O–Si Si–OH + HO–Si.

аргоне, и пластины, изготовленной из предварительно Пики c волновыми числами 2850, 2930 и 2990 см-отожженного в таких же условиях порошка nc-Si (см.

мы связываем с колебательным поглощением групп CHx кривые 5 и 4 на рис. 2). Обнаружено, что предва(x = 1-3) в структурах Si–CHx [16]. Примечательно, рительный отжиг порошка практически не влияет на что интенсивность пиков поглощения Si–CHx в плаинтенсивность полос поглощения с центрами при 2210 и стинах возрастает с увеличением времени нахождения исходных порошков в открытом виде. Это означает, что порошки nc-Si хорошо адсорбируют углерод, находящийся в атмосферном воздухе. Аналогичное свойство было обнаружено у наноразмерных частиц, полученных в результате ультразвукового измельчения образцов пористого кремния [16].

Таким образом, при сильном сжатии нанокристаллических порошков происходит эффективное формирование связей между атомами кремния, водорода, кислорода и углерода. Этот процесс мы в первую очередь объясняем разрушением структурных связей Si–Si в порошке, подвергнутом сжатию. Вследствие этого в порошке возникает значительная концентрация ненасыщенных валентных связей атомов кремния, которые в дальнейшем насыщаются, образуя структуры Si–H, Oy–Si–Hx и Si–CHx.

Рис. 2. Инфракрасные спектры пропускания исходного порошка (1) и пластин nc-Si, изготовленных при давлении 5 · 108 Па 4. Темновая проводимость (2–5). Температура аргона, при котoрой синтезированы ис ходные порошки nc-Si, tAr, C: 1, 2 — 20, (3–5) — 200. 4 — Зависимости темновой проводимости ( ) от обратной проведен отжиг исходного порошка при 400C в течение температуры (1/T ) для двух пластин, изготовленных из 30 мин; 5 — проведен отжиг пластины при 400C в течение порошков nc-Si, синтез которых проводился при различ30 мин.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Оптические и электрические свойства тонких пластин... Характеристики проводимости пластин ных температурах потока буферного аргона, показаны на рис. 3. В дальнейшем для краткости порошки nc-Si, Образец tAr, C t, C, Ом-1 · cм-1 0, Ом-1 · cм-1 E, эВ синтезированные при температурах tAr = 20 и 200C, мы 1 20 - 4 · 10-10 5.5 · 10-1 0.будем называть низкотемпературными и высокотемпера2 200 - 2 · 10-9 6.5 · 101 0.турными порошками соответственно.

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.