Прыжковая проводимость пористого аморфного кремния Щербакова, Лариса Александровна

Введение к работе

Актуальность темы. Электрофизические свойства неупорядоченных полупроводников и систем с пониженной размерностью активно исследуются в течение последних десятилетий [1-3]. Актуальность данных исследований связана как с решением фундаментальных проблем, так и с возможным применением таких систем в микро- и оптоэлектронике.

Примером системы с пониженной размерностью является микропористый кремний, представляющий собой объект, состоящий из множества кремниевых нитей с преимущественным направлением перпендикулярно поверхности, на которой формировался пористый слой. Работы по исследованию пористого кремния (ПК) в основном были посвящены изучению люминесценции в этом материале (см. например [4,5]). Очевидно, что наибольший интерес с точки зрения практического применения представляет создание излучателей, основанных на явлении электролюминесценции. Задача повышения эффективности электролюминесценции ПК тесно связана с решением проблемы электронного транспорта в таких системах. К моменту постановки настоящей работы данные по изучению электрофизических характеристик ПК практически отсутствовали.

Электропроводность ПК представляет собой нетривиальную проблему, поскольку необходимо учитывать целый ряд факторов: - размерное квантование энергетического спектра вследствие малого (<10 нм) диаметра проводящих нитей [б], поверхностные эффекты [7], фрактальность структуры, обусловленную особенностями электрохимического травления при приготовлении ПК. С первым из этих факторов связывают высокое удельное сопротивление ПК (до 108-10¹¹ Ом-см), получаемого на основе объемного материала с малым удельным сопротивлением (вырожденный кремний) [8]. Высокое сопротивление ПК и сильная зависимость его свойств от состояния поверхности являются основными трудностями при исследовании электрофизических свойств пористого Si.

Проведенные нами предварительные исследования аморфного пористого Si (а-ПК) показали, что его сопротивление ниже по сравнению с сопротивлением кристаллического ПК и составляет величину 10⁴+10⁵ Ом-см. Это обусловлено тем, что аморфный кремний характеризуется высокой плотностью локализованных состояний (10"-10²⁰ эВ-'см^-3), лежащих приблизительно в середине запрещенной зоны и слабо возмущаемых размерным ограничением.

Многие эксперименты по структурному анализу указывают на наличие самоподобных свойств ПК и связанный с этим фрактальный характер его строения [9,10]. Имеющиеся данные по электронно-микроскопическим исследованиям структуры кристаллического ПК и а-ПК позволили сделать вывод о сходстве системы пор и кремниевых столбов в этих материалах [11]. Самоподобие структуры ПК существует в интервале масштабов от межатомного расстояния до корреляционной длины, определяющей максимальный масштаб проявления свойств самоподобия и достигающей в ряде случаев «1000 А [7]. В этой же области лежат значения длин прыжков электронов, характеризующих прыжковую проводимость в a-Si. Таким образом, близость границ масштабов по структурным и электронным характеристикам а-ПК позволяет ожидать проявления фрактальной структуры а-ПК в электронных свойствах материала.

Цель работы заключалась в экспериментальном исследовании прыжковой проводимости в низкоразмерной системе на основе пористого аморфного кремния. Для достижения указанной цели в работе были поставлены следующие задачи:

1. Провести исследование температурных зависимостей проводимости в пористом аморфном кремнии и выявить свойства, присущие низкоразмерным системам.

2. Изучить прыжковую проводимость пористого аморфного Si на переменном токе и установить частотную зависимость проводимости в системе с низкой размерностью.

3. Исследовать нестационарные процессы в условиях проводимости в среде с низкой размерностью.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем.

4. Установлено, что проводимость а-ПК описывается в рамках механизма прыжковой проводимости с переменной длиной прыжка в среде, эффективная размерность которой зависит от пористости материала и принимает как целочисленные, так и дробные значения в области 1

5. В пористых слоях a-Si при понижении температуры обнаружен переход от проводимости в среде, имеющей дробную размерность к одномерной проводимости. Температура перехода находится в области 200 К и зависит от плотности локализованных состояний.

6. В пористых слоях a-Sit-xMn* (содержание марганца составляло 4 и 7 ат.%) при понижении температуры обнаружен переход от трехмерного к одномерному прыжковому транспорту.

7. Обнаружен долговременной (в течение десятков минут) процесс затухания тока при комнатной температуре после подачи на структуру импульса напряжения, что связывается с инжекцией носителей из контакта на локализованные состояния, находящиеся выше уровня Ферми и их последующей термолизацией к состоянию равновесия в среде с фрактальной размерностью.

8. Установлено, что гидрогенизация пористого аморфного кремния при температуре 200 С приводит к увеличению размерности проводящего канала от 2.5 до 3, уменьшению величины нестационарного тока и замедлению кинетики его затухания. Сделан вывод, что в результате гидрогенизации происходит пассивация оборванных связей на поверхности пор и подавление канала проводимости в среде с фрактальной размерностью. Последующий отжиг при температуре >400 С восстанавливает исходные свойства системы, по-видимому, за счет выхода водорода из a-Si.

9. На основе процесса электрохимического травления a-Si в растворе плавиковой кислоты разработан метод создания структур, проводимость которых в различных температурных интервалах определяется размерностью системы.

Практическая значимость работы.

Совокупность полученных результатов по проводимости пористого a-Si позволила: - выявить закономерности, присущие переносу заряда в средах с размерностью 1

Обнаруженный эффект долговременной релаксации в пористом a-Si представляет интерес для создания систем, обеспечивающих регистрацию коротких импульсов напряжения (систем памяти). Детектирование может осуществляться на временах, значительно превышающих длительность импульса. Обнаруженные сильные изменения проводимости а-ПК при взаимодействии с водородом являются основой для создания датчиков водоро-досодержащих химических соединений.

На защиту выносятся следующие основные положения

1. Электронный транспорт в пористом аморфном кремнии подчиня
ется закономерностям, присущим одномерным неупорядоченным системам
или системам с фрактальной (дробной) размерностью в зависимости от
температуры измерений и условий приготовления объекта.

2. Пористый аморфный кремний характеризуется долговременной (сотни секунд) недебаевской релаксацией возбужденных носителей заряда после подачи на структуру импульса напряжения, что связывается с инжек-цией носителей из контакта на локализованные состояния, находящиеся выше уровня Ферми и их последующей термолизацией к состоянию равновесия в среде с фрактальной размерностью.

3. Перенос заряда в пористом a-Si осуществляется по двум каналам локализованных состояний, один из которых характеризуется объемными

свойствами материала, другой - фрактальной геометрией поверхности кремниевых столбов.

Апробаиия работы. Результаты диссертационной работы обсуждались на II Российской конференции по физике полупроводников (Зеленогорск, 1996), IV международной конференции "Электрические и оптические свойства неоднородных сред" (Москва-Санкт-Петербург, 1996), I Всероссийской конференции по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных монокристаллов кремния (Москва, 1996), IV молодежной школе "Проблемы физики твердого тела и высоких давлений" (Туапсе, 1995), а также на научных сессиях, семинаре Отдела физики поверхности, семинарах лаборатории импульсных воздействий Института физики полупроводников СО РАН. Часть результатов исследований представлялась и обсуждалась на конкурсе научных работ Института, где работа получила призовое место. Основные результаты опубликованы в семи печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа сотоит из введения, четырех глав, выводов и заключения. Объем работы составляет 134 страницы, включая 31 рисунок, 6 таблиц и список литературы из 144 наименований.