Особенности электрических свойств пористого кремния

В зависимости от режимов электрохимической обработки, степени легирования исходного кремния донорными или акцепторными примесями и состава электролита por-Si характеризуется широким диапазоном пористости, примерно от 2 до 85%. Пористый материал с объемом пор в несколько процентов и por-Si с максимальной пористостью отличаются друг от друга не только структурными, но и оптическими, люминесцентными и электрическими свойствами.

Классификация электрических свойств por-Si предусматривает деление пористого материала на четыре группы, каждая из которых обладает индивидуальным набором свойств.

К первой группе относится пористый материал, у которого обедненные области или отсутствуют или слабо выражены. Такой пример описан при формировании por-Si на сильно легированных сурьмой кремниевых пластинах при пористости 8-27%. Перенос носителей заряда в таком por-Si происходит согласно теории эффективной среды в модели " кремний + поры". Пористый материал с такими свойствами экспериментально наблюдается только на кремниевых подложках, легированных сурьмой, что может быть объяснено известным фактом отсутствия эффекта пассивации атомов сурьмы водородом. Por-Siф первой группы в отличие от пористых слоев других групп не чувствителен к изменению влажности и присутствию полярных молекул.

Вторую группу образуют пористые структуры, у которых крупные поры далеко отстоят друг от друга и поэтому обедненные области вокруг пор не перекрываются. Примером является макропористый кремний с пористостью 5-10%, полученный на слабо легированных фосфором пластинах. Перенос электронов в por-Si этой группы связан с движением носителей по низкоомным не обедненным участкам кремниевой матрицы в соответствии с теорией эффективной среды в модели " кремний + поры + обедненные области".

В третью группу входят пористые структуры с сильно развитой сетью мелких пор, имеющие относительно невысокий показатель пористости (менее 40%). Обедненные области соседних пор (за счет малого расстояния между стенками пор) перекрываются и весь оставшийся монокристаллический остов представляет собой кораллообразную структуру, состоящую в общем случае из областей с различной степенью обеднения, а в предельном случае — из кремния с собственной проводимостью. Примером является мезопористый кремний с малой пористостью, сформированный на р⁺-Si. Дрейф носителей заряда осуществляется по высокоомной кремниевой матрице в рамках модели флуктуирующего потенциального рельефа.

Четвертая группа включает в себя структуры с высокой пористостью (более 45– 50%), для которых структура материала, а, следовательно, и механизм проводимости, претерпевают значительные изменения. В таком por-Si нанокристаллиты кремния размерами от единиц до десятков нанометров являются областями кремния, не подвергнутыми растворению и окруженными продуктами электрохимических реакций. При размерах кристаллитов менее 4 нм в них начинают возникать квантово-размерные эффекты, приводящие к квантованию энергетического спектра носителей, к увеличению ширины запрещенной зоны до 1, 8–2, 9 эВ и к уменьшению диэлектрической проницаемости. Нанокристаллиты кремния подвержены процессам обеднения, концентрация носителей в них 10¹⁰–10¹³ см^–3, однако величина проводимости уже определяется не столько концентрацией носителей, сколько характером переноса. Проводимость в такой структуре в сильной степени зависит от удельного сопротивления среды продуктов электрохимических реакций и может осуществляться по окружающей кристаллиты матрице (близкой по свойствам к α Si: H) или при помощи межкристаллитных перескоков, когда удельное сопротивление окружающей нанокристаллиты среды достаточно велико. Последний случай может иметь место при формировании продуктов электрохимических реакций в виде высокоомных оксидов SiО_x.

Рассмотренные 4 группы характеризуются принципиально разными электрическими свойствами. В частности, в многослойных структурах контакты пористого материала с металлами и исходными монокристаллическими подложками могут иметь или выпрямляющий, или омический характер.

Общие сведения о свойствах контактов Аl/por-Si и por-Si/Si, вытекающие из теоретических основ работы переходов Аl/Si, гомопереходов и гетеропереходов, и подтвержденные измерениями на тестовых структурах, приведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1.

Группа por-Si	Контакт Аl/por-Si	Величина переходного сопротивления Аl/por-Si, Ом ∙ см	Контакт por-Si/Si
	Невыпрямляющий	7∙ 10 – 3 – 0.12	Невыпрямляющий
	Выпрямляющий	0.2 – 1.8	Невыпрямляющий
	Выпрямляющий	17 – 130	Выпрямляющий
	Невыпрямляющий	50 – 150	Выпрямляющий

Известно, что на границе алюминия и кремния (с разным типом проводимости) всегда возникает потенциальный барьер, вследствие чего переход является выпрямляющим. Однако в случае высокого уровня легирования кремния (более 5∙ 10^–17см ^–3) барьер становится узким и за счет процессов эффективного туннелирования переход Al/Si становится невыпрямляющим (омическим). Контакты алюминия с por-Si 1-й группы вследствие высокой концентрации носителей в монокристаллической матрице пористого материала являются омическими: более того, за счет развитой эффективной поверхности por-Si переходные сопротивления контактов оказываются значительно меньше переходных сопротивлений контактов Al/Si, полученных в аналогичных условиях. Переходы Al/por-Si для пористых материалов 2-й группы могут иметь как выпрямляющий, так и омический характер в зависимости от соотношения на интерфейсе площадей низкоомных и высокоомных областей кремния. При определяющем вкладе высокоомных областей с собственной проводимостью такие контакты обладают выпрямлением. Такие же выпрямляющие свойства типичны для контактов Al/por-Si 3-й группы. Для por-Si 4-й группы, как правило, экспериментально проявляется квазиомическое поведение контактов, что многими исследователями, связывается с высокой плотностью поверхностных электронных состояний. В то же время отсутствие заметного выпрямления может быть объяснено и с другой точки зрения. При аномально высоком удельном сопротивлении пористого слоя практически все подаваемое на структуру напряжение будет приходиться на слой por-Si, в результате чего падение напряжения на контакте Ме/por-Si будет малым и в этом случае даже выпрямляющий переход будет обладать практически линейной вольт-амперной характеристикой.

Известно, что процессы порообразования в кремнии могут сопровождаться формированием на поверхности аморфной пленки кремния, поэтому наличие либо отсутствие данной аморфной пленки может существенно изменить свойства контактов. Нужно учитывать, что на поверхности por-Si 2-й и 3-й групп за счет диффузии водорода может образовываться тонкий обедненный слой, кроме того, как отмечалось выше, термообработка por-Si способна сильно влиять на концентрацию носителей заряда в пористом слое и электрофизические свойства контактов могут зависеть от температурных режимов создания многослойных структур.

Переход por-Si/Si естественным образом формируется в ходе электрохимической обработки кремниевых пластин и постоянно присутствует в многослойных структурах с пористыми слоями. Электрические свойства этого перехода могут быть различны в зависимости от электрофизических параметров por-Si. Исходя из теоретических основ работы контакта полупроводников с разным уровнем легирования, гетеропереходов и диодов можно предсказать наличие или отсутствие выпрямления на этой границе для пористых слоев разных групп, что нашло в дальнейшем свое экспериментальное подтверждение. Для por-Si 1-й и 2-й групп, полученных на подложках n-типа, выпрямление на переходе por-Si/Si отсутствует. Это связано с неизменностью концентрации электронов в кремниевой матрице для por-Si 1-й группы и образованием невыпрямляющих переходов n– n^– для структур с пористым материалом 2-й группы. Для por-Si 3-й и 4-й групп граница por-Si/Si в общем случае обладает заметным выпрямлением. Особенно ярко это проявляется для por-Si 3-й группы, полученного на подложках р-типа проводимости, и для por-Si 4-й группы. Для por-Si 4-й группы это обусловлено тем, что при высоком показателе пористости в результате больших изменений в химическом составе существенно изменяются электронные свойства материала; в случае кристаллитов малых размеров дополнительно увеличивается ширина запрещенной зоны для наночастиц por-Si вследствие квантовых размерных эффектов. При этом может происходить формирование как изотипных, так и анизотипных выпрямляющих переходов.

Таким образом, различия в структурных характеристиках por-Si и в процессах формирования в нем областей обеднения носителями тока приводят к экспериментально наблюдаемому многообразию электрических свойств пористого материала и многослойных структур на его основе. Подбор соответствующих режимов анодной электрохимической обработки позволяет создавать пористые слои с заданными электрическими свойствами и решать задачи по разработке приборов различного назначения: начиная от применения слоев por-Si 1-й группы (низкоомный подслой для алюминиевой металлизации, буферный слой для эпитаксии различных полупроводников на кремнии с большим рассогласованием кристаллических решеток) и заканчивая использованием por-Si 4-й группы (люминесцентные и фотоприемные структуры). Многообразие электрических свойств por-Si определяет широкий спектр электрических параметров контактов пористого слоя с металлами и монокристаллическим кремнием. Поэтому при исследовании процессов переноса носителей в многослойных структурах с por-Si необходимо учитывать все особенности, которые может иметь пористый материал в данном конкретном случае.

 

Схема измерения ВАХ

Исследование вольтамперной характеристики структуры Ме/por-Si/Si/Ме проводиться на измерителе характеристик полупроводниковых приборов ППП Л2-56. Внешний вид передней панели прибора приведен на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Вид передней панели измерителя характеристик Л2-56.

 

3. Методика подготовки образцов к электрохимическому травлению и описание электрохимической ячейки

Смотри п. III, лабораторная работа № 1

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: