Введение к работе
. Актуальность темы.
Несмотря на то, что пористый кремний (ПК) был впервые получен ще в середине 50-х гг., пристальный интерес к нему возник только в на-:але 90-х, когда была открыта интенсивная фотолюминесценция ПК, и на-гали изучаться возникающие в нем физические явления, связанные с раз-іерньїм квантованием. Сегодня ПК считается материалом, перспективным (ля применения в микроэлектронике, в биомедицинских приложениях. Непосредственное использование оптических и электрофизических свойств Ж предполагается в оптоэлектронике и при разработке химических сен-:оров нового типа. Поскольку процессы токопереноса в полупроводниках гувствительны к состоянию поверхности, а у ПК поверхность чрезвычайно )азвита (до 1000 м2/ш3), можно ожидать, что чувствительность сенсоров, ;озданных на основе ПК, будет высокой. В значительной мере этот интерес продиктован задачам]! экологического мониторинга окружающей сре-гы. Немаловажным обстоятельством является и то, что технология выра-дивания кристаллов кремния заданной чистоты, являющегося «сырьем» гдя получения ПК, прекрасно отработана в современной промышленной микроэлектронике. Однако для создания сенсоров необходима информа-гия о длительности кинетических процессов в токопереносе и их закономерностях в условиях воздействия внешней среды, а систематических данных такого рода в настоящее время в литературе не имеется.
Проведенные ранее исследования по изучению воздействия веществ в газовой фазе на проводимость систем, содержащих ПК (и в частности, :труктур металл-ПК-кремний), пока лишь отражают интерес к созданию :енсоров в области газового анализа на базе пористых полупроводников. На сегодняшний день эти исследования носят фрагментарный характер. Вопросы о механизмах модуляции проводимости на базе ПК внешними газообразными средами и их теоретическое рассмотрение находятся в стадии начальной разработки. Недавно исследователи обратили более пристальное внимание и на другой материал, «родственный» пористому кремнию-окисленный пористый кремний (ОПК). Однако его электрофизические свойства на данный момент изучены значительно меньше, чем свойства ПК.
4 Поскольку характерный размер пор ПК составляет обычно единицы и десятки нанометров, то возникающие вследствие этого квантоворазмер-ные эффекты определяют целый ряд его уникальных оптических и электрофизических свойств, что представляет определенный интерес с точки зрения фундаментальной физики. Все вышеперечисленное и определило тему и цели настоящего исследования.
Цели работы.
Изучение механизмов токопереноса в структурах на основе ПК можно провести с помощью исследования влияния на" электронную подсистем) ПК тестовых электрических зарядов, помещенных на поверхность кремниевых нитей. Одним из наиболее эффективных способов нанесения такю пробных заряженных «зондов» является адсорбция молекул в слой ПК и: газообразной фазы. Из этой идеи вытекал следующий перечень основньо задач нашей работы:
-
Систематическое изучение влияния адсорбатов донорного и акцепторного типа на кинетику изменения электронного транспорта через структурь металл-ПК-кремний в широком диапазоне времени.
-
Исследование механизмов зарядового переноса в структуре металл-ПК-кремний при прямом и обратном напряжении. Разработка энергетическое диаграммы структуры металл-ПК-кремний.
-
Изучение специфики зарядового транспорта в структуре металл-ПК-кремний в условиях капиллярной конденсации адсорбатов в нанопорах ПК
-
Изучение возможностей использования структур, содержащих слои ПК, t качестве основы для химических газовых сенсоров.
Научная новизна работы.
В данной работе: 1. Впервые систематически исследовано влияние адсорбции различных моле^ на кинетику изменения проводимости структур на основе пористого кремния и окисленного пористого кремния в широком диапазоне экспериментальных условий и показано, что в результате адсорбции инициируются длительные процессы изменения зарядового состояния как поверхности, так і «квазиобъема» пористого материала.
-
Предложена модель, позволяющая описать полученные в работе закономерности поведения проводимости системы металл-ПК-кремний при адсорбции газов с течением времени. Согласно этой модели, важную роль в возникновении исследованных эффектов играет «квазиобъемное» молекулярное легирование кремниевых нитей ПК.
-
Впервые систематически исследовано влияние капиллярной конденсации на зарядовый транспорт в ПК и предложен электрофизический метод оценки размеров пор в слабопроводящих пористых материалах.
-
Впервые обнаружен и исследован эффект адсорбционно-стимулированной «канальной» проводимости в структурах с окисленным ПК. Показано, что с помощью этого эффекта можно формировать состояние системы с наперед заданной проводимостью слоя ПК.
-
Показано, что структуры металл-ПК-кремний и металл-ОПК-кремний обладают высокой адсорбционной чувствительностью. Ряд особенностей этих структур, а именно возможность контролировать проводимость системы в широких пределах, а также зависимость кинетики изменения проводимости от вида адсорбата и от давления его паров, могут быть использованы при создании химических сенсоров на базе ПК.
На защиту выносятся:
-
Новые экспериментальные данные о влиянии адсорбции донорных и акцепторных молекул на проводимость структур металл-ПК-кремний и металл ОПК-кремний.
-
Новый, впервые обнаруженный эффект быстрого увеличения проводимости нанокристаллических нитей ОПК, стимулированный адсорбцией молекул и электрическим полем.
-
Новый- электрофизический- метод определения порога капиллярной конденсации в порах и оценки их размеров.
\. Новые модельные представления о механизмах воздействия адсорбции акцепторных и донорных молекул на проводимость слоев пористого кремния.
Практическая ценность работы.
Полученные в настоящей работе данные по влиянию адсорбции мо-текул, создающих разные типы адсорбционных центров, могут быть ис-
пользованы при разработке химических сенсоров нового типа на основе планарных технологий современной микроэлектроники, а также элементов оптоэлектроники на базе пористого кремния.
Структура работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы и содержит 93 страницы машинописного текста, 3 таблицы, 49 рисунков и 154 библиографические ссылки.
Публикации.
Результаты диссертации изложены в 11 печатных работах, список которых приведен в конце реферата.
Апробация работы.
Основные результаты были доложены на Международных конференциях «Eurosensores-X» (Leuven, Belgium, 1996), «Диэлектрики-97» (Санкт-Петербург, 1997), «Porous Semiconductors-98» (Mallorca, Spain, 1998), Всероссийских конференциях «Яльчик-96», «Яльчик-97» и «Яльчик-98» (Казань, Йошкар-Ола, 1996, 1997 и 1998) и «Физические проблемы экологии» (МГУ, Москва, 1997).
