WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 11 Прыжковая проводимость в мезопористом кремнии с малой пористостью, сформированном на p+-Si B © С.П. Зимин¶ Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова, 150000 Ярославль, Россия (Получена 3 февраля 2006 г. Принята к печати 13 апреля 2006 г.) Исследована температурная зависимость электропроводности на постоянном токе в интервале 110-400 K слоев мезопористого кремния, сформированных на (111)-ориентированных пластинах p+-Si B с удельным сопротивлением 0.03 Ом · см. Величина весовой пористости находилась в интервале 18-30%. Показано, что в области температур ниже 200 K выполняется классический закон прыжковой проводимости с переменной длиной прыжка вблизи уровня Ферми. Анализ температурной зависимости удельного сопротивления в области более высоких температур (200-400 K) свидетельствует о наличии двух активационных участков с энергиями активации 200-800 и 600-1200 мэВ. Описанная температурная зависимость проводимости исследуемых образцов в широком интервале температур соответствует модели разупорядоченных полупроводников с мелкомасшабными флуктуациями.

PACS: 72.20.Ee, 72.80.Ng 1. Введение 2. Методика эксперимента Мезопористый кремний с пористостью до 40%, Исследуемые слои ПК были получены при электросформированный методом анодного электрохимического химическом травлении пластин кремния в 45% водтравления на сильнолегированных бором кремниевых ном растворе HF при плотности тока анодирования 10 подложках, обладает набором свойств, отличающих его и 15 мА/см2. Исходные кремниевые подложки ориентаот других видов пористого кремния (ПК) [1,2]. Глав- ции (111) были легированы бором и имели удельное ными особенностями материала являются отсутствие сопротивление 0.03 Ом · см. Применялась электролитиразмерного квантования, развитая поверхность, высо- ческая ячейка Унно–Имаи с жидкостным контактом к кая фоточувствительность и значительный отклик на обратной стороне пластины. Время анодирования измепоявление в окружающей среде полярных молекул.

нялось от 10 до 60 мин, толщина слоев ПК при этом Метод термозонда свидетельствует об эффективном увеличивалась от 15 до 60 мкм. Весовая пористость электронном типе проводимости пористой структуры, образцов составляла 18-30%.

связанной с пассивацией акцепторной примеси бора.

Известно [2], что мезопористые слои с невысокой Несмотря на сильное обеднение носителями заряда, пористостью, полученные на сильно легированных боматериал при 300 K обладает относительно невысоким ром подложках кремния, имеют выпрямляющие конудельным сопротивлением: 106 Ом · см. При краткотакты с алюминием и монокристаллическим кремнием.

временном термическом отжиге в инертной среде при Поэтому для изучения электрических параметров ПК температурах 500C происходит переход материала была применена тестовая структура, представляющая в низкоомное состояние с последующей релаксацией собой многослойную структуру Al/ПК/Si/Al с переносом величины проводимости [3], а поведение такого ПК при носителей заряда перпендикулярно поверхностям разэлектронном облучении описывается теми же законодела. Поверхностная аморфизированная пленка, вознимерностями с двойной инверсией типа проводимости, кающая на ПК при анодировании, удалялась методом что и для высокоомного кремния p-типа [4]. Персплазмохимического травления. Пленки Al наносились пективы применения мезопористого кремния с малой методом термовакуумного напыления. Контакт к алюпористостью, сформированного на p+-Si, для создания миниевым контактным площадкам в низкотемпературактивных элементов оптоэлектронных приборов, газоном криостате (13-400 K) осуществлялся при помощи вых сенсоров и буферных слоев при эпитаксии разсеребряной эпоксидной пасты (silver paste epoxy), уроличных полупроводников на кремнии требуют изучения вень вакуума при измерениях составлял 10-2-10-3 Па.

механизмов переноса носителей заряда в таких структуЗначения температуры были дискретными, с длительной рах. Несморя на большое число публикаций по данной стабилизацией (10-20 мин) в каждой температурной тематике [1,5,6 и др.], многие вопросы, связанные с точке. Определение величины удельного сопротивления дрейфом носителей, остаются открытыми. Цель данной ПК проводилось на основе анализа вольт-амперных работы — исследование температурной зависимости характеристик структуры в рамках модели двух барьепроводимости материала на постоянном токе в широком ров [7]. Из-за высокого сопротивления образцов проинтервале температур 110-400 K.

вести определение электрических характеристик при ¶ E-mail: zimin@uniyar.ac.ru температурах ниже 110 K оказалось невозможным. Из1386 С.П. Зимин мерения вольт-амперных характеристик выполнялись с шагом 0.01-0.1 B в условиях затемнения.

3. Экспериментальные результаты и их обсуждение Изучение температурных зависимостей удельного сопротивления ПК (T ) в интервале 110-400 K показало, что при понижении температуры наблюдается рост значений. Величина удельного сопротивления при 125 K для большинства образцов находилась в интервале 107-109 Ом · см. По характеру изменения (T ) следует выделить три температурных участка с примерными границами 110-200, 200-и 350-400 K. На рис. 1 приведены типичные зависи1/мости ln = f (1/T ) для низкотемпературного участка 110-200 K для нескольких образцов. Из рисунка следует, что величина удельного сопротивления материала возрастает при увеличении пористости. Темпе- Рис. 2. Температура перехода от одного активационного ратурные зависимости удельного сопротивления подчи- участка к другому для образцов ПК с различной весовой няются выражению (T ) exp[(T0/T )] для трехмер- пористоcтью,%: 1 — 30, 2 — 25, 3 — 18, 4 — 20.

ной ( = 0.25) прыжковой проводимости вблизи уровня Ферми с переменной длиной прыжка [8]. Известно, что показатель становится больше 0.25 при переходе от Величина параметра T0 для большинства образцов размерности среды c D = 3 к фрактальной размерности находилась в интервале от 2 · 107 до 3 · 107 K. На среды с D < 3 по мере роста пористости материала [9].

основании моттовского закона с = 0.25 при помощи Таким образом, полученные для исследуемых образцов известного выражения [8] T0 = 16/kg3l3, где k — порезультаты с показателем степени = 0.25 позволяют стоянная Больцмана, а l — радиус локализации, была говорить о том, что размерность подпространства, отвеоценена величина плотности локализованных состоячающего за перенос носителей, совпадает с евклидовой.

ний на уровне Ферми g3. Если принять, что радиус Это согласуется с результатами [10] по малоугловолокализации волновой функции равен 0.3 нм [9], то му рассеянию рентгеновских лучей в ПК на p-Si с величина g3 составляет 2 · 1020 эВ · см-3. Наиболее различной пористостью, где показано, что только при вероятная длина прыжка R, определенная по формуле показателе пористости более 55% начинается переход к R 0.5l(T0/T), при температуре 200 K имеет значение фрактальной размерности менее 3.

около 2.7 нм.

Анализ температурной зависимости удельного сопротивления ПК при температурах выше 200 K свидетельствовал о наличии двух активационных участков. На рис. 2 показан температурный интервал перехода от одной области к другой. Участок с энергией активации 200-800 мэВ при температурах выше 345-360 K заменяется участком, имеющим значения энергии активации в диапазоне 600-1200 мэВ. Такое поведение электрического сопротивления в области высоких температур для мезопористого кремния с малой пористостью, полученного на p+-Si, хорошо известно и описано Балагуровым с сотр. в [5].

Анализ экспериментальных результатов для мезопористого кремния с малой пористостью показывает, что они хорошо объясняются в рамках модели неоднородных полупроводников для случая мелкомасштабного рельефа зон. Согласно модели Мотта–Дэвиса [8], в неупорядоченных полупроводниках могут реализоваться несколько механизмов проводимости, роль которых различна в разных температурных интервалах. В общем случае зависимость проводимости от температуры определяется Рис. 1. Выполнение закона Мотта с показателем = 0.25 для образцов с величиной пористости, %: 1 — 26, 2 — 22, 3 — 18. законом Мотта с переменной длиной прыжка при низких Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Прыжковая проводимость в мезопористом кремнии с малой пористостью, сформированном... температурах и несколькими активационными участками [4] S.P. Zimin, D.S. Zimin, Yu.V. Ryabkin, A.N. Bragin. Phys.

Status Solidi A, 182, 221 (2000).

с возрастающими энергиями активации при более высо[5] L.A. Balagurov, D.G. Yarkin, E.A. Petrova. Mater. Sci. Engin., ких значениях T. Именно такая картина наблюдается в B69–70, 127 (2000).

исследуемых образцах ПК. С точки зрения процессов [6] V.Yu. Timoshenko, V. Lysenko, Th. Dittrich, F. Koch. Phys.

порообразования это может быть объяснено следующим Status Solidi A, 182, 163 (2000).

образом. Известно, что в мезопористом кремнии с малой [7] S.P. Zimin, V.S. Kuznetsov, A.V. Prokaznikov. Simulation пористостью, полученном на p+-Si, вокруг каждой поры Semicond. Dev. Processes, 6, 322 (1995).

формируются обедненные области, которые перекрыва[8] Н. Мотт, Э. Дэвис. Электронные процессы в некристалются друг с другом. В результате случайного хараклических веществах (М., Мир, 1982) т. 1, с. 252.

тера процесса зарождения пор в кремниевой матрице [9] А.И. Якимов, Н.П. Степина, А.В. Двуреченский. ЖЭТФ, возникают области с различной степенью обеднения.

112, 926 (1997).

Кроме этого, мелкомасштабные флуктуации связаны с [10] A. Naudon, P. Goudeau, V. Vezin. In: Porous silicon. Science неравномерным распределением примеси и случайным and technology, ed. by J.-C. Vial, J. Derrien (Springer Verlad, Berlin Heidelberg and Les Edition de Physique, Les Ulis, распределением зарядов, захваченных на стенки пор.

1995) p. 257.

Другими характерными явлениями для неоднородных полупроводников с мелкомасштабным рельефом зон Редактор Л.В. Беляков являются [8]: хвост Урбаха на зависимости коэффициента поглощения от энергии фотонов, более пологая Hopping conductivity in low porosity и протяженная по сравнению с исходными кристаллиmesoporous silicon formed on p+-Si B ческими полупроводниками спектральная зависимость substrates фоточувствительности, отсутствие свободных носителей в области температур, где реализуются прыжковые меS.P. Zimin ханизмы. Экспериментальное подтверждение существоDemidov Yaroslavl State University, вания данных эффектов в ПК, включая низкопористые 150000 Yaroslavl, Russia структуры на p+-Si, можно найти в соответствующих обзорах (например, [1,10]).

Abstract

The temperature dependence (110-400 K) of the DC conductivity of mesoporous silicon layers, formed on 4. Заключение (111)-oriented substrates p+-Si B with specific resistivity 0.03 Ohm·cm is investigated. Porous layers have the porosity Температурная зависимость (110-400 K) проводиwithin 18-30%. It is shown that at low temperatures 110-200 K мости образцов мезопористого кремния с пористоclassical law variable range hopping conductivity near the Fermi стью 18-30%, сформированных на сильно легированlevel takes place. Two activation regions with the activation enных бором кремниевых пластинах, свидетельствует о ergy 200-800 and 600-1200 meV were observed at temperatures применимости к таким материалам модели разупоряabove 200 K. This character of the temperature dependence of доченных полупроводников с мелкомасштабными флукconductivity is characteristic to disordered semiconductors with туациями зон. Удельное сопротивление исследуемых small-scale fluctuations.

слоев ПК при температуре 125 K зависит от величины пористости и составляет 107-109 Ом · см. Такие большие значения удельного сопротивления способны предотвратить появление токов утечки в охлаждаемых эпитаксиальных структурах (например, AIVBVI), полученных на кремниевых подложках с использованием низкопористых буферных слоев. Закон Мотта с = 0.указывает на реализацию при низких температурах механизма прыжковой проводимости с переменной длиной прыжка по трехмерной системе локализованных состояний. Данный вывод согласуется с данными [9], где на примере пористого -Si : H показано, что переход к меньшей эффективной размерности наступает при показателе пористости более 40%.

Список литературы [1] Properties of porous silicon, ed. by L. Canham (Malvern., DERA, 1997) p. 83.

[2] С.П. Зимин. ФТП, 34, 359 (2000).

[3] С.П. Зимин, А.Н. Брагин. ФТП, 33, 476 (1999).

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып.




© 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.