WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 9 Сравнение подвижности равновесных и неравновесных носителей заряда в пленках поликристаллического синтетического алмаза и аморфного алмазоподобного углерода © Ю.В. Плесков, А.Р. Тамеев, В.П. Варнин, И.Г. Теремецкая, А.М. Баранов Институт электрохимии им. А.Н.Фрумкина Российской академии наук, 117071 Москва, Россия Институт физической химии Российской академии наук, 117915 Москва, Россия Научно-исследовательский институт вакуумной техники им. С.А.Векшинского, 113105 Москва, Россия (Получена 12 мая 1996 г. Принята к печати 1 апреля 1997 г.) По времени пролета инжектированных носителей заряда сквозь пленки поликристаллического алмаза или алмазоподобного углерода определена подвижность неравновесных носителей порядка 10-3 и3·10-8 см2/В·с соответственно. В поликристаллическом алмазе неравновесная подвижность дырок на 3 порядка величины ниже равновесной подвижности (0.11см2/В· с), найденной из электропроводности пленок на постоянном токе, что можно объяснить влиянием на перенос неравновесных носителей процессов захвата их ловушками.

Синтетический полупроводниковый алмаз — перспек- (13.56 МГц) [5]. Перед нанесением пленки поверхность тивный материал для электроники, оптики и ряда других подложки была предварительно обработана в плазме областей [1]; в последние годы он активно исследуется CF4. Нанесение пленок происходило при комнатной также в качестве возможного материала для неразру- температуре. Толщина пленок около100 нм.

шающихся электродов в электрохимии [2]. В настоя- Измерение подвижности. Перенос неравновесных щей работе мы использовали сочетание электрических носителей заряда в пленках алмаза был исследован (кинетика переходного тока при инжекции неравновес- время-пролетным методом [6]. Регистрировалась киных носителей тока в пленку) и электрохимических нетика переходного тока, обусловленного униполярным (спектроскопия импеданса контакта алмазная пленка– дрейфом под действием приложенного постоянного элекэлектролит [3]) измерений для определения подвижно- трического поля инжектированных в образец неравности дырок в алмазе, знание которой может быть полезно весных носителей заряда в сэндвич-структуре металл– образец–металл. В нашем случае одним из металличепри описании процессов переноса в объеме алмаза и на межфазных границах. Мы сопоставили значения по- ских электродов служила подложка из W или подложка из Mo, другим — испаренный на поверхность исследудвижности дырок в алмазе, измеренные в равновесных и емой пленки слой Au. В исследуемую пленку алмаза неравновесных условиях.

инжектировался пакет носителей заряда в виде тонкого слоя с шириной много меньше толщины образца.

Методика эксперимента Избыточные носители заряда генерировались световым импульсом. Поскольку квантовый выход фотогеОбразцы. Поликристаллические алмазные пленки мы нерации носителей заряда в собственно алмазной и выращивали на вольфрамовой подложке методом химиалмазоподобной пленке на длине волны применявшегося ческого газофазного осаждения из смеси метана с волазера оказался недостаточно высоким (в алмазе — дородом, активированной с помощью раскаленной нити, порядка 10-4 [7]), в сэндвич-структуру был добавлен как описано в работе [4]. Для измерений проводимости слой Se (между поверхностью пленки и золотым элекпленок методом спектроскопии импеданса электрохимитродом), в котором и происходили фотогенерация и ческого контакта мы использовали достаточно хорошо разделение носителей заряда и из которого носители проводящие пленки, легированные B [4], с удельным инжектировались в исследуемую пленку. Толщина слоя сопротивлением порядка 104 Ом · см и концентрацией селена (0.20.5мкм) была много меньше толщины алосновных носителей 1017-3 · 1018 см-3; измерения кине- мазной пленки, но сравнима с толщиной пленки a-C : H.

тики переходного тока проводились на диэлектрических Поэтому в 1-м случае падением напряжения в слое (нелегированных) образцах с удельным сопротивлением Se мы пренебрегали, а во 2-м случае при определении 1091010 Ом · см. Все пленки относительно мелкокри- напряженности поля в пленке a-C : H, необходимой для сталлические: средний размер видимых кристаллитов на вычисления подвижности, вносили приближенно поправповерхности пленки до 1 мкм.

ку на фактическое распределение электрического поля в Алмазоподобные пленки a-C : H на молибденовой под- сэндвич-структуре.

ложке были получены из газовой фазы циклогекса- Источником световых импульсов служил азотный лана в плазме, возбуждаемой высокочастотным разрядом зер ИЛГИ-503 (timp = 10 нс на полувысоте импульса, Сравнение подвижности равновесных и неравновесных носителей заряда в пленках... Значения подвижности дырок и величины, использованные при вычислениях Неравновесная Равновесная № подвижность d, мкм F, В/см tT, мс, Ом-1 см-1 NA, см-3 подвижность образца µ, см2/В · с µ, см2/В · с Полиалмаз 475 26 1.4 · 104 0.3 6.2 · 10-4 7 · 10-10 – – 1.9 · 104 0.16 8.4 · 10-508 8 0.75 · 104 0.055 1.9 · 10-3 3 · 10-10 – – 354 10 0.09 · 104 1.1 10-3 – – – 306 10 – – – 0.9 · 10-4 5 · 1017 559 6 – – – 0.5 · 10-4 3 · 1018 0.419 2.5 – – – 0.6 · 10-4 (0.6 · 1017) (6) 420 2.3 – – – 1.2 · 10-4 (1017) (7) a-C : H 228 0.1 9 4 3 · 10-8 – – – Примечание. В скобках указаны менее достоверные значения.

длина волны света — 337 нм). Кинетика переходного p-типа), NA — концентрация акцепторов (точнее, контока регистрировалась с помощью запоминающего ос- центрация нескомпенсированных акцепторов NA - ND), циллографа C9-8 с предусилителем (дифференциальный Nv 2 · 1019 см-3 — плотность состояний в валентной = усилитель Я-40-1102), соединенного с компьютером для зоне, EA = 0.37 эВ — энергия ионизации акцептора B.

накопления и обработки данных. Постоянная времени Значения и NA, приведенные в таблице, взяты из раизмерительной цепи RmCm была меньше, чем время бот [2,3]. В этих работах электрическое сопротивление пролета носителей tT. Для одновременного запуска пленок мы определяли, экстраполируя действительную лазерного импульса и осциллографа служил генератор составляющую импеданса электродов, представленного электрических импульсов Г5-54. Все измерения выпол- в комплексной плоскости, на бесконечную частоту, а нены при комнатной температуре. концентрацию нескомпенсированных акцепторов — по наклону графиков Мотта–Шоттки, снятых на контакте алмаз– раствор электролита.

Полученные результаты При инжекции в алмазную пленку дырок форма крии их обсуждение вой переходного тока, время пролета и вычисленная подвижность близки к рассмотренному выше случаю Кинетические кривые переходных токов при инжекции инжекции электронов. Зависимость неравновесной поэлектронов в пленку алмаза (типичная кривая показана движности от электрического поля, если и существует на рисунке) имеют после начального спада, соответреально, то она весьма слабая (в исследуемом нами ствующего разряду RmCm-цепи (участок A), характерное интервале значений напряженности — 103104 В/см).

плато (участок B), за которым следует относительно Природа этой зависимости нами не исследовалась.

быстрый спад тока (участок C). Момент времени начала Кривая спада тока в пленке a-C : H после инжекции этого спада tT (он показан на рисунке стрелкой) соотдырок качественно напоминает кривую, приведенную на ветствует приходу переднего фронта пакета носителей рисунке. Однако значения неравновесной подвижности заряда к противоположному электроду через исследуеносителей тока в a-C : H на 45 порядков величины ниже, мую алмазную пленку толщиной d.

чем в полилкристаллическом алмазе, как для дырок (см.

Дрейфовую подвижность носителей заряда µ мы растаблицу), так и для электронов, что значительно ниже, считывали по формуле µ = d/FtT, где F = U/d — чем получено в работе [8] для пленок, выращенных в напряженность электрического поля, U — приложенное плазме CH4 + Ar. Как и в случае поликристаллического напряжение. Определенные таким образом значения поалмаза, в a-C : H подвижность электронов и дырок придвижности приведены в таблице вместе с величинами близительно одинаковы.

”равновесной” подвижности, рассчитаной из удельной Благодаря фактически униполярному характеру навепроводимости легированных B пленок по формуле денной проводимости в алмазе при данной постановке µ = /pe. Здесь эксперимента инжектированные носители заряда не ис пытывают рекомбинации (хотя время жизни электронноp = (NANv)1/2/ 2 exp(-EA/2kT ) дырочных пар в алмазе весьма мало), так как в образце — концентрация основных носителей (дырок в легиро- практически нет носителей другого знака. Но неравнованном B алмазе, который является полупроводником весные носители могут захватываться ловушками. Если Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 1144 Ю.В. Плесков, А.Р. Тамеев, В.П. Варнин, И.Г. Теремецкая, А.М. Баранов К переносу носителей в относительно неупорядоченной среде, каковой является пленка поликристаллического алмаза, можно применить модель перескоков (прыжков) по центрам. При измерениях подвижности в неравновесных условиях, т. е. в диэлектрических образцах, инжектированные в образец носители попадают в расположенные глубже центры захвата (ловушки), которые до этого были не заполнены. Переходные токи определяются носителями заряда, испытавшими захват в ловушки и освободившимися из них. Вероятно, описанный выше механизм является преобладающим для неравновесных дырок и электронов в нелегированных алмазных пленках, и ему отвечают сравнительно низкие значения подвижности. При измерении же в ”равновесном” режиме — на легированных образцах — ловушки заполнены, и проводимость пленки определяется свободными Кривая переходного тока при инжекции дырок в поликристалносителями заряда. Этот 2-й, параллельный, механизм лическом алмазе. Образец 475 (см. таблицу). Электрическое поле F = 1.9 · 104 В/см. Время пролета tT показано стрелкой. проводимости, связанный с движением свободных дырок в зоне проводимости, становится заметным лишь при достаточно высокой равновесной концентрации дырок, время освобождения из ловушек намного больше време- которая обеспечивается введением в алмаз легирующей ни пролета основной массы инжектированных носителей примеси B. При этом механизме проводимости подвижtT, то величина наблюдаемого сигнала тока уменьша- ность выше.

ется, но на измеряемой величине подвижности захват Приносим глубокую благодарность В.И. Полякову и не должен сказываться. Незначительный остаточный ток А.В. Ванникову за обсуждение полученных результатов.

на конечном, пологом участке кривой D (см. рисунок) обусловлен, вероятно, подходом к электроду–коллектору Настоящее исследование в части, относящейся к поликристаллическому алмазу, выполнено при финансовой носителей, захваченных ловушками в объеме пленки, а поддержке Российкого фонда фундаментальных исследозатем освободившихся из них. Если же за время пролета ваний (проект № 96-03-34133a).

носители заряда успевают захватываться ловушками и освобождаться из них, то это должно приводить к замедлению пролета пакета, т. е. к уменьшению эффективной Список литературы подвижности.

Измеренные нами в поликристаллических алмаз[1] Properties of Natural and Synthetic Diamond, Ed. by J. Field, ных пленках значения подвижностей (как равновесной, (London–N.Y., Academic Press, 1992).

так и неравновесной) на несколько порядков величи- [2] А.Д. Модестов, Ю.В. Плесков, В.П. Варнин, И.Г. Теремецкая. Электрохимия, 33, №1 (1997).

ны ниже дрейфовой подвижности электронов и ды[3] Yu.V. Pleskov, V.Ya. Mishuk, M.A. Abaturov, V.V. Elkin, рок в монокристаллах алмаза (соответственно 2500 и M.D. Krotova, V.P. Varnin, I.G. Teremetskaya. J. Electroanal.

2100 см2/В · см [9]). Это и не удивительно, если принять Chem., 396, 227 (1995).

во внимание затруднения, создаваемые переносу свобод[4] А.Я. Сахарова, Ю.В. Плесков, Ф. Ди Кварто, С. Пьяцца, ных носителей межкристаллитными границами, а также К. Сунсери, И.Г. Теремецкая, В.П. Варнин. Электрохимия, другими дефектами кристаллической структуры поли31, 188 (1995).

кристаллического алмаза. Подтверждением этому может [5] V.V. Sleptsov, A.A. Kuzin, G.F. Ivanovsky, V.M. Elinsov, служить измеренная нами очень низкая подвижность S.S. Gerasimovich, A.M. Baranov, P.E. Kondrashov. J. NonCryst. Sol., 136, 53 (1991).

носителей заряда в a-C : H, который может приближенно [6] А.В. Ванников, В.К. Матвеев, В.П. Сичкарь, А.П. Тютнев.

служить моделью материала межкристаллитных границ Радиационные эффекты в полимерах. Электрические в поликристаллическом алмазе.

свойства (М., Наука, 1982) гл. 1.

Из сопоставления данных таблицы можно сделать [7] Ю.В. Плесков, А.Я. Сахарова, А.В. Чуриков, В.П. Варнин, вывод о том, что равновесная подвижность дырок в И.Г. Теремецкая. Электрохимия, 32, №10 (1996).

исследованных нами алмазных пленках на 3 порядка [8] О.И. Коньков, И.Н. Трапезникова, Е.И. Теруков. ФТП, 47, величины выше, чем неравновесная. Это различие можно 1406 (1994).

[9] В.С. Вавилов, А.А. Гиппиус, Е.А. Конорова. Электронные объяснить тем, что равновесные дырки (в легированных и оптические процессы в алмазе (М., Наука, 1985).

B пленках) и неравновесные дырки и электроны, инжектированные в нелегированные (”диэлектрические”) Редактор Т.А. Полянская алмазные пленки, переносятся по двум различным механизмам.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Сравнение подвижности равновесных и неравновесных носителей заряда в пленках... Comparison of the equilibrium and nonequilibrium charge carrier mobility in polycrystalline synthetic diamond and amorphous diamondlike carbon films Yu.V. Pleskov, A.R. Tameev, V.P. Varnin, I.G. Teremetskaya, A.M. Baranov A.N. Frumkin Institute of Electrochemistry, Russian Academy of Sciences, 117071 Moscow, Russian Institute of Physical Chemistry, Russian Academy of Sciences, 117915 Moscow, Russia S.A. Vekshinsky Research Institute of Vacuum Techniques, 113105 Moscow, Russia

Abstract

Mobility of nonequilibrium charge carriers in polycrystalline diamond and a-C : H films was determined, by measurements of the injected carriers transit time across the film, as 10-3 and 3 · 10-8 cm2/V · s respectively. In polycrystalline diamond films the nonequilibrium hole mobility is three orders of magnitude lower that the equilibrium mobility (0.1-1cm2/V·s) determined from the films’ dc-conductivity. This can be explained by the effects of trapping of the nonequilibrium charge carriers on their transport in polycrystalline diamond.




© 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.