
PACS: 72.15.Cz, 72.30.+q 1. Введение 2. Исследованные образцы и методика эксперимента Пористый кремний (ПК), получаемый электрохимическим травлением монокристаллического кремния [1], Исследованные в работе слои ПК получались меможет рассматриваться как модельный объект для изутодом электрохимического травления монокристалличения оптических и фотоэлектрических свойств систем, ческих пластин p++-Si : B ( = 1-5мОм см) с орисодержащих кремниевые нанокристаллы [2]. В последентацией поверхности (110) в растворе HF (48%) с нее время интерес исследователей вызывают образцы этанолом в соотношении 1 : 1. Величина плотности тока ПК с анизотропией формы нанокристаллов. Во мнотравления составляла 40 мА/см2, что соответствовало гом это связано с обнаружением в таких структурах пористости образца около 60% [4]. Отделение пленки сильной оптической анизотропии, в частности двулуот подложки осуществлялось путем резкого увеличения чепреломления в слоях ПК, выращенных на сильно плотности тока до 500 мА/см2 в течение нескольких легированных кремниевых пластинах с ориентацией секунд. Толщина отделенных слоев пористого кремния поверхности (110) [3]. На данный момент большинравнялась примерно 70 мкм. Известно (см. [10]), что ство работ посвящено исследованию линейных [2Ц4] и получаемый указанным выше способом ПК состоит нелинейных [5] оптических свойств анизотропного ПК из кремниевых остатков (нанокристаллов) с размерами и обсуждению возможностей применения полученных порядка 10Ц100 нм, вытянутых вдоль кристаллографичерезультатов для создания сенсоров [3,6] и фотонных ской оси [110].
приборов [5,7]. Недавно была обнаружена анизотропия статической электропроводности и фотопроводимости в Для измерения электрических характеристик на послоях ПК [8,9]. Данное свойство связывалось с анизоверхности образцов напылялись алюминиевые контакты тропией формы кремниевых нанокристаллов, поэтому в двух различных конфигурациях, позволяющие осуможно ожидать аналогичной анизотропии для динамиществить перенос носителей заряда вдоль кристаллоческой электропроводности. Отметим, что исследование графической оси [110] (вдоль которой вытянуты начастотной зависимости анизотропии динамической элекнокристаллы) и перпендикулярно ей (т. е. параллельно тропроводности в ПК важно для понимания процессов оси [001]). Расстояние между контактами составляло переноса носителей заряда в ансамблях анизотропных 0.1 мм. Схематично расположение контактов на поверхкремниевых нанокристаллов.
ности исследованных образцов показано на вставке к В данной работе методом импеданс-спектроскопии рис. 1.
исследованы слои анизотропного ПК при различных Частотные зависимости электропроводности измеряориентациях приложенного электрического поля отнолись с помощью импеданс-анализатора НР 4192А в сительно основных кристаллографических направлений интервале частот от 5 Гц до 10 МГц. Измерения пров плоскости слоев, что позволило получить данные по водились при различных температурах в интервале частотным зависимостям анизотропии электропроводноT = 170-370 K. Перед измерениями образец отжигался сти и емкости в структурах анизотропных кремниевых в вакууме при давлении P = 10-3 Па при температуре нанокристаллов.
T = 130C в течение 1 ч, что приводило к стабилизации E-mail: forsh@vega.phys.msu.ru его электрических свойств.
Динамическая электропроводность анизотропно наноструктурированного кремния Рис. 1. Вольт-амперные характеристики для случая переноса носителей заряда вдоль кристаллографических направлений [001] (a) и [110] (b), измеренные при комнатной температуре. Частота переменного сигнала: 1 Ч5 Гц, 2 Ч10 МГц. На вставке Чсхема расположения электрических контактов на поверхности образца.
Рис. 2. Зависимости мнимой части импеданса (-Im Z) от действительной (Re Z), полученные при комнатной температуре, для кристаллографических направлений [001] (a) и [110] (b). Стрелками показано направление увеличения частоты. На вставке приведена одна из возможных эквивалентных электрических схем исследованных структур.
3. Экспериментальные результаты В случае эффекта ПулаЦФренкеля [11] электропроводность образца экспоненциально зависит от корня и их обсуждение квадратного из приложенного напряжения [8]. Анализ полученных в настоящей работе ВАХ показал, что В исследованных диапазонах температур и частот даже при частоте 5 Гц наблюдается более слабая, чем переменного сигнала вольт-амперные характеристики в эффекте ПулаЦФренкеля, зависимость электропровод(ВАХ) симметричны относительно полярности прилоности от приложенного напряжения. Это может быть женного напряжения. На рис. 1, a, b приведены ВАХ, измеренные при комнатной температуре при двух зна- связано с тем, что в случае динамической электрочениях частоты переменного сигнала, в случаях пе- проводности для наблюдения эффекта ПулаЦФренкеля необходимо прикладывать большие амплитуды сигнала, реноса носителей заряда вдоль кристаллографических превышающие напряжения смещения для статической направлений [001] (a) и [110] (b). Из рисунка видно, что ВАХ, являющиеся нелинейными при малых ча- электропроводности.
стотах переменного сигнала, становятся линейными с Нелинейность ВАХ может быть связана с наличием увеличением частоты. Нелинейные стационарные ВАХ, в структуре потенциальных барьеров. Тот факт, что полученные нами ранее для анизотропного ПК [6], ВАХ являются линейными при высоких частотах, может интерпретировались в рамках эффекта ПулаЦФренкеля. объясняться уменьшением с частотой роли потенциальФизика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 478 П.А. Форш, М.Н. Мартышов, В.Ю. Тимошенко, П.К. Кашкаров Рис. 3. Частотные зависимости удельной электропроводности для кристаллографических направлений [001] (a) и [110] (b), полученные при различных температурах T, K: 1 Ч 370, 2 Ч 330, 3 Ч 270, 4 Ч 210, 5 Ч 170.
ных барьеров в процессах переноса носителей заряда. При низких частотах переменного сигнала электриВ случае электрического транспорта вдоль оси [001] ческий транспорт носителей заряда определяется главнелинейность ВАХ на низких частотах более ярко ным образом сопротивлением потенциальных барьеров, выражена, чем для переноса вдоль оси [110]. Это свиде- поскольку Rb Rs. С увеличением частоты сигнала сотельствует о том, что влияние потенциальных барьеров противление Rb начинает ДшунтироватьсяУ емкостью Cb.
на перенос носителей заряда вдоль оси [001] сильнее, Это приводит к тому, что при больших частотах перенос чем вдоль оси [110]. носителей заряда определяется RsCs -цепочкой.
На рис. 2, a, b показаны зависимости мнимой части Частотные зависимости удельной электропроводности импеданса (-Im Z) от действительной (Re Z), измерен- для двух указанных в работе кристаллографических наные при комнатной температуре, для переноса носи- правлений, измеренные при разных температурах, предтелей заряда вдоль кристаллографических направлений ставлены на рис. 3, a, b. Электропроводность (удельная) [001] (a) и [110] (b). Аналогичные зависимости бы- рассчитывалась по формуле ли получены во всем интервале указанных в работе l температур. На вставке к рис. 2 приведена одна из = Re, (2) возможных эквивалентных схем, позволяющая описать ad Z представленные зависимости. На эквивалентной схеме где l Ч расстояние между контактами, a Ч длина имеются две параллельные RC-цепочки, соединенные контактов, d Ч толщина образца. В случае переноса последовательно между собой. Одна цепочка (RbCb) носителей заряда вдоль кристаллографической оси [110] описывает влияние на перенос носителей заряда по(рис. 3, b) на частотной зависимости электропроводтенциальных барьеров, которые могут существовать как ности наблюдаются два участка. На первом участке, на контактах электродов (Al) с ПК, так и на границах при частотах f < 103 кГц, практически не зависит от между нанокристаллами. В этом случае Rb представляет частоты во всем интервале исследованных температур.
собой общее сопротивление, а Cb Ч общую зарядовую При больших частотах наблюдается второй участок, емкость всех имеющихся в структуре потенциальных характеризуемый ростом электропроводности с частобарьеров. Другую цепочку (RsCs ) можно отождествить той. В случае электрического транспорта вдоль крис сопротивлением (Rs ) и емкостью (Cs ) самой кремниесталлографической оси [001] характер частотной завивой структуры, уже без учета потенциальных барьеров.
Заметим, что сопротивление Rs может существенно пре- симости электропроводности несколько иной (рис. 3, a).
В частности, рост с частотой начинается при гораздо вышать сопротивление монокристаллической подложки, из которой был получен ПК. Это связано со значи- меньших значениях f, чем в случае электрического транспорта вдоль оси [110].
тельным уменьшением концентрации свободных дырок за счет захвата их на состояния ловушек, возникших в Обсуждая полученные результаты, заметим, что чарезультате травления. Импеданс представленной эквива- стотная зависимость электропроводности микро-ПК лентной схемы, очевидно, определяется выражением (c характерным размером нанокристаллов менее 5 нм), как правило, интерпретируется на основе модели прыжRs Rb Z = +, (1) кового механизма переноса носителей заряда между 1 + i2 f RsCs 1 + i2 f RbCb локализованными состояниями нанокристаллов [12,13].
где f Ч частота, i Ч мнимая единица. В случае исследуемого мезопористого ПК со средним Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Динамическая электропроводность анизотропно наноструктурированного кремния Рис. 4. Частотные зависимости емкости для кристаллографических направлений [001] (a) и [110] (b), полученные при различных температурах T, K: 1 Ч 370, 2 Ч 270, 3 Ч 170.
размером нанокристаллов порядка 10-100 нм квантово- будет происходить при более низких частотах. Поэторазмерный эффект не столь значительный, поэтому му рост в случае электрического транспорта вдоль можно считать, что энергетическая зонная диаграмма оси [001] начнется при более низких частотах, чем в для кремниевого нанокристалла такая же, как и для случае электрического транспорта вдоль направления объемного кремния. В этом случае перенос носителей [110] (рис. 3).
заряда (дырок) может происходить по делокализованЧастотные зависимости емкости для различных криным состояниям валентной зоны. Наличие барьеров сталлографических направлений и температур показаны между нанокристаллами приводит к активационной зана рис. 4, a, b. Чтобы не загромождать рисунок, завивисимости подвижности носителей заряда [8,9]:
симости приведены только для трех температур. Для определения емкости использовалась формула = 0 exp(-Eb/kT). (3) Im Z Здесь Eb Ч высота потенциального барьера, 0 Ч C =. (4) 2 f предэкспоненциальный множитель. Если, следуя работам [8,9], предположить, что высота потенциальных Как видно из рис. 4, емкость структуры существенно барьеров вдоль кристаллографической оси [001] выше, уменьшается с увеличением частоты. В области низких чем вдоль оси [110], то подвижность носителей заряда частот емкость определяется зарядовой емкостью име вдоль оси [001] будет ниже, чем вдоль оси [110]. Поющихся в структуре барьеров. С увеличением частоты скольку подвижность зависит от высоты потенциального зарядовая емкость барьеров Cb падает. Это может быть барьера экспоненциально, на эквивалентной схеме это связано с тем, что при больших частотах заряженные соприведет к сильному различию в значениях Rb, Ч стояния, определяющие барьерную емкость, не успевают значение Rb вдоль оси [001] будет значительно выше, перезаряжаться. При больших частотах емкость системы чем вдоль оси [110]. В то же время емкости Cb могут описывается в основном емкостью Cs и заметно слабее отличаться не столь заметно.
зависит от частоты.
При низких частотах переменного сигнала электро На рис. 5 показаны частотные зависимости анизотропроводность вдоль оси [110] практически не изменяется пии электропроводности, определяемой как отношение с частотой (рис. 3, b). Отсутствие зависимости от электропроводности 1 (вдоль направления [110]) к частоты переменного сигнала характерно для переноса электропроводности 2 (вдоль оси [001]), для различных носителей по делокализованным состояниям. Как уже температур. Во всем исследованном интервале частот и было сказано, на низких частотах проводимость определяется главным образом сопротивлением потенциаль- температур выполняется соотношение 1/2 1. В то ных барьеров Rb. При увеличении частоты сопротив- же время величина 1/2 максимальна в области низких частот и температур. Как показано на вставке к лениe Rb ДшунтируетсяУ емкостью Cb, что приводит к наблюдаемому в эксперименте росту электропровод- рис. 5, отношение 1/2 демонстрирует сильный рост ности. Поскольку сопротивление Rb вдоль направле- при T < 270 K. Напротив, при T > 270 K анизотропия ния [001] существенно больше, чем для направления электропроводности практически перестает зависеть от [110], ДшунтированиеУ его соответствующей емкостью температуры. Это может свидетельствовать о различных Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 480 П.А. Форш, М.Н. Мартышов, В.Ю. Тимошенко, П.К. Кашкаров Рис. 5. Частотные зависимости анизотропии электропроводности (1/2), полученные при различных температурах T, K: 1 Ч 370, 2 Ч 330, 3 Ч 270, 4 Ч 210, 5 Ч 170. На вставке приведены температурные зависимости 1/2 для различных частот: 1 Ч f = 100 Гц, 2 Ч f = 1МГц.
механизмах электрического транспорта на переменном электропроводности может быть объяснена различисигнале для указанных температурных интервалов. ем высот потенциальных барьеров, расположенных на Анизотропия электропроводности при высоких часто- границах нанокристаллов, для различных направлений.
Pages: | 1 | 2 |