Прыжковая проводимость пористого аморфного кремния тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

^ На правах рукописи

СТ5

со и_1

<г Сч1

Щербакова Лариса Александровна

ПРЫЖКОВАЯ ПРОВОДИМОСТЬ ПОРИСТОГО АМОРФНОГО КРЕМНИЯ

01.04.07 - физика твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Новосибирск - 1997

Работа выполнена в Институте физики полупроводников Сибирского отделения Российской Академии Наук

Научные руководители:

доктор физико-математических наук, профессор Двуреченский A.B.

кандидат физико-математических наук Якимов А.И.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Панов 13.И.

кандидат физико-математических наук Баскин Э.М.

Ведущая организация:

Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения РАН

Защита состоится " 18 " марта 1997 года в 15 часов на заседании диссертационного совета К. 003. 05. 01 при Институте физики полупроводников Сибирского Отделения РАН (630090, Новосибирск-90, пр. ак. Лаврентьева, 13)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики полупроводников СО РАН.

Автореферат разослан "W CpfJyiü ftiX 1997 года.

Ученый секретарь Специализированного совета доктор физ.-мат. наук, профессор Двуреченский A.B.

Общая характеристика работы

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

Проведенные нами предварительные исследования аморфного пористого Si (a-ПК) показали, что его сопротивление ниже по сравнению с сопротивлением кристаллического ПК и составляет величину 104-н108 Ом-см. Это обусловлено тем, что аморфный кремний характеризуется высокой плотностью локализованных состояний (1019-1020 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 a-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 a-ПК позволяет ожидать проявления фрактальной структуры a-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.

1) Установлено, что проводимость a-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<D<3. Дробные значения связываются с проявлением фрактальной структуры а-ПК.

2) 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.

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

4) 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.

5) 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.

6) 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<D<3, принимающей как целочисленные, так и дробные значения; - определить характерные параметры системы. Разработанный метод электрохимического травления a-Si обеспечивает создание структур, в которых закономерности проводимости в системах с пониженной размерностью проявляются достаточно ярко. Полученные результаты являются основой для разработки метода определения фрактальной размерности системы из измерений температурной зависимости прыжковой проводимости.

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 a-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 подчиняется 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.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулирована иель работы и ее задачи, приведены основные положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость работы.

Первая глава носит обзорный характер. 3 ней кратко приведены представление об особенностях зонной структуры аморфных полупроводников, заключающихся в наличии локализованных состояний в запрещенной зоне материала. Приведены сведения, касающиеся явления прыжковой проводимости Особое внимание уделяется температурной зависимости прыжковой проводимости с непрерывно растущей длинной прыжка при понижении температуры. Подчеркивается возможность определения из температурной зависимости прыжковой проводимости размерности неупорядоченных сис-

тем. Кратко описаны процессы формирования слоев ПК путем электрохимического травления в растворе плавиковой кислоты.' Приводятся описание различных методов структурного анализа ПК (адсорбции газа, малоуглового рассеяния, электронной микроскопии). Особое внимание уделяется фрактальной геометрии поверхности кремниевых столбов. Отмечается недостаток экспериментальных данных по проводимости ПК, определяемой структурой этого материала. На основе анализа имеющихся данных обосновывается выбор объекта исследования.

Во второй главе описаны способы приготовления структур, методы их исследования и обработки экспериментальных данных. Слои пористого аморфного кремния готовились путем электрохимического травления слоя a-Si в растворе 42% НР:Ш0:СзН70Н (1:1:2). Для получения структур с различным дефицитом плотности материала варьировались плотность анодного тока (5-30 мА-см-г) и время травления (6-24 с). Слои пористого кремния имели толщину L=600-2100 А и пористость до 60%.

Пленки аморфного кремния толщиной ~300 нм осаждались методом электронно-лучевого испарения на подложки кремния n-типа с ориентацией (111). Удельное сопротивление подложек составляло 0.003 Ом-см. Другой метод получения слоев a-Si заключался в бомбардировке исходной подложки ионами Ge+ с энергией 400 кэВ. Для получения аморфного слоя Sii-xMnx (содержание Мп составляло 4 и 7 ат.%) аморфизация проводилась одновременно с имплантацией ионов Мп+. Однородное распределение внедренной примеси достигалось изменением энергии в процессе имплантации в интервале 20-300 кэВ. Для измерения электропроводности на образцы наносились контакты из золота или алюминия. Напыление металлических контактов проводилось в вакууме при давлении Ю-2 Па под углом -30е от нормали к поверхности подложки. Нижним электродом служила подложка .кристаллического кремния, на обратную сторону которой наносился слой алюминия. Гидрогенизация пленок a-Si и a-ПК осуществлялась в водородной плазме тлеющего разряда в камере с вакуумом ~2.1х10-2 Па при Г=200° С.

Контроль структуры и состава полученных пленок проводился методами просвечивающей электронной микроскопии, сканирующей туннель-нон микроскопии, резерфордовского обратного рассеяния/каналирования и масс-спектрометрни вторичных ионов.

Основные результаты диссертации были получены с помощью следующих методик: измерение температурной зависимости электропроводности, измерение магнитополевой зависимости электропроводности, измерение вольт-амперных, частотных и емкостных характеристик. Численная обработка экспериментальных данных проводилась методом наименьших квадратов.

Третья глава посвящена данным по исследованию проводимости пористого аморфного кремния на постоянном токе. Измерения проведены в диапазоне температур 300 К<Г<100 К для нелегированного пористого аморфного кремния и 100 К<7~<11 К для пористых слоев а-Эи-хМп,. с содержанием марганца 4 и 7 ат.%.

Температурная зависимость прыжковой проводимости ст(7') в аморфных материалах в общем случае описывается выражением:

а(Т) = а0 ехр

т"

\Т)

о»

где ст0 и Г0 - константы размерности электропроводности и температуры соответственно. Га - постоянная, зависящая от плотности состояний g и радиуса локализации а. Показатель степени п в формуле (!) определяется размерностью системы А если плотность состояний %(Е) не зависит от энергии. В. литературе описаны несколько механизмов прыжковой проводимости, приводящие к различным значениям л:

«=!/( 1 + Л) (2)

- известный закон Мотта в отсутствии кулоНовских корреляций [I] (в частности л=0.25 для трехмерных систем);

я = 1 (3)

-для одномерной прыжковой проводимости [12];

и = ?/(£>/+?) (4)

- для переноса заряда в среде с фрактальной размерностью Ц } [13]. Здесь <;-показатель, характеризующий особенности спада волновой функции электрона, локализованного на фрактале. Дело в том, что в отличии от андерсеновской локализации У(г>~ехр[-7/в], волновая функция электронов, локализованных на фракталах, спадает на больших расстояниях г быстрее: где показатель £ больше 1 и зависит от евклидовой размерности системы. Для бесконечного кластера в трехмерном пространстве теория дает £= 1.9.

Исследование хода о(Т) проводилось методом анализа локальной энергии активации процесса проводимости \¥(Т) = д(\!кТ)[Щ. Со-

гласно (1) Ш(Т) = п{кТ0У(кТУ~" . На рис. 1 показана зависимость энергии активации от температуры полученная нами путем дифференцирования экспериментального набора данных а(Т). Для компактного а-Б1 энергия акти-

ва

л £

0,3

0,2

0,1

0,0

Р=55% ♦ -. ++ + * ♦

54

+ +т-

оо оо„с

ад

+ * +

► г

-37,

XXХ**"***"

Д'

х ««та л А

А* ЛД»

100

150

200

250

300

Т, К

Рис.1. Температурная зависимость энергии активации проводимости в образцах пористого аморфного кремния с различной пористостью Р.

вации монотонно уменьшается с понижением температуры во всем исследованном интервале Т. Аппроксимация экспериментальных данных формулой (1) дает значение показателя степени «=0.25 и постоянной Т0=4хЮ7 К для компактного материала, что соответствует хорошо известному закону Мот-та для прыжковой проводимости с переменной длиной прыжка в трехмерных неупорядоченных системах. Из выражения Г0 = —, где к - ПОСТОЯН-

^зЯ

ная Больцмана, можно оценить трехмерную плотность локализованных состояний g3 в a-Si. Для радиуса локализации волновой функции в a-Si а = 3 А, получаем g3=1.7xl020 эВ-' см-3. В образцах пористого a-Sí реализуются два режима проводимости: при Т> 7" энергия активации монотонно увеличивается с ростом температуры; в области низких температур Т< Т' величина ^практически не зависит от Т для Р>37%. В соответствии с формулой (3) для п=\ последний результат указывает на одномерный характер проводимости в a-ПК. С понижением температуры длина прыжка электрона увеличивается и при некотором значении Т' она оказывается сравнима со средним диаметром кремниевого столба. В этом случае проявляется анизотропия сопротивления, связанная с прыжками вдоль и поперек проволок и происходит переход к одномерной прыжковой проводимости. Одномерная плотность состояний g¡ определялась из выражения AE=(2g¡a)'' [12], используя экспериментальное значение ЛЕ~0.12 эВ. Здесь ЛЕ - энергия активации, не зависящая от темпера туры. Попытка определить размерность системы из высокотемпературных данных (Г> Т"), используя закон Мотта, приводит к явно заниженному результату D, принимающей в ряде случаев значения меньше единицы. При малой длине прыжка электрон должен чувствовать мелкомасштабную фрактальную структуру кремниевых проволок, поэтому для корректности процедуры оценки величины D, необходимо учесть специфику локализации волновых функций на фракталах. Пользуясь формулой (4) и взяв £=1.9, находим значение £>/=2.23-2.32 для a-ПК с Р=52-55%.

В нелегированном аморфном кремнии за прыжковый перенос заряда ответственны оборванные связи, дающие в щели подвижности пик глубоких локализованных состояний, плотность которых составляет ~1020 эВ"1 см 3. Естественно ожидать, что внутренняя поверхность a-ПК будет обогащена оборванными связями по сравнению с объемными областями кремния, и поэтому ее вклад в проводимость может оказаться гораздо существеннее вклада объема. Таким образом, перенос заряда в a-ПК, по-видимому, осуществляется по двум параллельным каналам: поверхностному каналу по состояниям среды с фрактальной структурой и объемному каналу кремниевых нитей. Получаемое в эксперименте значение фрактальной размерности из данных по проводимости может определяться вкладом обоих каналов и в этом смысле представляет эффективную величину фрактальной размерности. Выявить на опыте существование одного из каналов можно путем подавления других.

Имплантация элементов первого переходного ряда таблицы Д.И. Менделеева (Mn, Fe) в a-Si приводит к появлению в щели подвижности глубоких состояний, плотность которых можно изменять в широких пределах (1017-И021 эВ 'см"3). В результате, в порйстом аморфном кремнии, легированном марганцем проводимость по объему кремниевых нитей может оказаться доминирующей и фрактальность структуры поверхности не будет проявляться. "Мы использовали легирование a-Si марганцем в области концентраций, обеспечивающих более высокую плотность состояний, по сравнению с нелегированным материалом. Для выбранных нами концентраций .Мп 4 и 7 ат.% плотность состояний в a-Si составляла соответственно g3=1.8xI021 эВ 'см"3 Hg3=2.1xl021 эВ 'см-3. Нами было обнаружено,.что про: водимость в пористом a-Sii-,Мпх для выбранных концентраций МП описывается законом Мотта в высокотемпературной области и простым актива-ционным законом ехр(-АЕ/кГ) с АЕ~ 10-20 мэВ в Низкотемпературной области; Эти данные свидетельствуют о переходе от трехмерного к одномер- ■ HOKfy прыжковому транспорту при понижении температуры. Одномериза-ция электронных траекторий в a-ПК осуществляется при температуре, соответствующей условию равенства длины прыжка R диаметру кремниевых

12

нитей d. Из условия d~R4<JK = 0 5a(T„ !Т*)" оценен средний диаметр кремниевых столбов в пористом материале. Используя величину а=0.4 нм для a-Si\-ooiMnoo4 и а=0.6 нм для a-Sii-oo7Mnoo7, 7^=30-38 К. получаем d-5-Ь нм. Эти значения близки к величинам поперечного' размера кремниевых столбов пористого аморфного кремния с пористостью около 50%, полученных из данных туннельной и электронной микроскопии.

Таким образом, в нелегированном a-ПК при Т>Т* полученная температурная зависимость проводимости хорошо описывается в рамках механизма прыжковой проводимости с переменной длиной прыжка по фрактальной среде. В пористом a-Sii xMn., с содержанием Мп 4 и 7 ат.% фрактальная структура кремниевых нитей не проявлялась в данных по проводимости, поскольку перенос заряда в этом случае, по видимому, осуществляется по объемному каналу.

Исследования зависимости проводимости от величины приложенного магнитного поля показали, что в пористом аморфном кремнии с D¡= 1,43±0.05 величина положительного чагнитосопротивления более чем на порядок превышает магпитосопротивление компактного a-Si. Полученные данные являются дополнительными свидетельствами одномерной природы прыжкового тока в пористом аморфном кремнии.

Исследование вольт-амперных характеристик (ВАХ) пористого и компактного a-Si показало, что кривые ВАХ для a-ПК отличаются от ха-рактерисшк компактного метериала. Основное отличие состоит в сдвиге порога омичности в область более низких напряжений и степенном суперлинейном росте тока с напряжением в образцах, содержащих пористые слои (в компактном материале за порогом омичности ВАХ описываются экспоненциальной зависимостью). Такое поведение соответствует теоретической модели, рассматривающей туннельный транспорт по одномерным неупорядоченным цепочкам локализованных состояний. Анализ экспериментальных кривых в рамках этой модели позволил определить дайну свободного пробега электронов в аморфном кремнии - 2-4 А.

В четвертой главе приведены результаты по проводимости a-ПК на переменном токе в дипазоне частот а=102-106 Гц и области температур Т-190-300 К, а так же полученные данные по нестационарной проводимости.

Информацию о механизме переноса заряда в неупорядоченной системе часто получают из измерений реальной части проводимости на переменном токе (динамической проводимости). Электропроводность измеряется как функция частоты ю переменного электрического поля. Если перенос заряда осуществляется стимулированными фононами прыжками по локализованным состояниям, то величина проводимости должна степенным образом расти с увеличением частоты. В случае, когда прыжки происходят по состояниям вблизи уровня Ферми

aac(<»)=constx7cos, (5)

где показатель степени s является слабой функцией частоты и в трехмерном случае определяется выражением: s= 1 - 4/ln (оо/со), где оо - характерная фо-нонная частота (в кремнии порядка 1012-1013 Гц). Обычно в аморфных полупроводниках в области частот 103-105 Гц í»0.8. Мы исследовали зависимость электропроводности от частоты для компактного и пористого á-Si (Р=55%). В диапазоне частот со=102-106 Гц для обеих систем оказался справедлив закон (5) с s=0.79±0.01 для a-Si и s=0.94±0.01 для a-ПК. Отличие показателя s для a-ПК, на наш взгляд, связано с фрактальной геометрией поверхности пористого кремния, по которой проходит основная часть тока в нелегированных образцах. Прыжковая проводимость на фракталах с размерностью D¡ и показателем волновых функций С, должна меняться с частотой по закону (5), где - (D¡ +2-Ql\n (vo/ю). Взяв С=J.9, ш=]02"6 Гц, ио=2х1012 Гц, находим, что D¡ =2.3±0.2. Эта величина совпадает со значением фрактальной размерности, полученной из данных по проводимости на постоянном токе.

На этих же структурах нами был обнаружен долговременной (в течении е сотен секунд) процесс затухания тока при комнатной температуре после подачи на структуру импульса напряжения. Эксперимент состоял в при-

кладывании к образцу импульса напряжения с амплитудой У-50 мВ, под действием которого в системе появлялся электрический ток 1(1), уменьшающийся с течением времени до своего стационарного значения Л=/(?=о>). Анализ релаксационных кривых в пористом аморфном кремнии показал, что

1) наблюдаемое время затухания-существенно превышает максвеллов-ское время тм для этой системы (оценка хм как е/4яа, где е - диэлектрическая постоянная и а - проводимость образца при * -»<ю, дает величину Ю-4 -101 секунд);

2) зависимость тока от времени носит неэкспоненциальный характер: ее нельзя описать'одним временем релаксации.

Мы предполагаем, что-появление нестационарного тока в а-ПК связано с инжекцией носителей заряда. на состояния, расположенные выше уровня Ферми. Инжекция, вызванная приложенным напряжением, может выводить систему из состояния термодинамического равновесия, что должно приводить к увеличению проводимости. Причиной увеличения проводимости в неравновесной системе является параллельное подключение каналов к равновесной сетке Миллера-Абрахамса, не участвующих в транспорте заряда в равновесных условиях. Следовательно, чем больше степень возбуждения, тем более проводящим становится состояние системы. Чтобы проверить это утверждение, к а-ПК прикладывался возбуждающий импульс с различными амплитудами У= 11-50 мВ (длительность импульса составляла 1 с). Для измерения проводимости системы, после приложения возбуждающего импульса прикладывалось зондирующее напряжение с меньшей амплитудой УР= 10 мВ, которое не вносит сильного изменения в проводимость системы в начальный момент времени (при включении). Эксперимент показал, что, действительно, величина нестационарной компоненты тока ДД0=/(гН» растет при увеличении амплитуды прикладываемого импульсного напряжения. '

Было обнаружено, что даже после снятия тянущего напряжения система помнит со.стояние, сформированное приложенным ранее импульсом

напряжения. Чтобы показать это, был проведен следующий эксперимент. В момент времени 1=0 прикладывался возбуждающий импульс напряжения с амплитудой 50 мВ и длительностью 1 секунда. Затем, после импульсного воздействия, проводимость системы зондировалась импульсом с амплитудой Ур= 11 мВ и длительностью 3 секунды с периодом 200 с (черные кружки на рис. 2). Импульс с малой амплитудой практически не возмущает систему, а значит может использоваться для диагностики ее состояния. Из рисунка видно, что возбужденное состояние электронной системы является долго-живущим в условиях как приложенного напряжения, так и без него, причем кинетика затухания одинакова в обоих случаях (см. рис. 2). Долговременной процесс затухания связывается с особенностями локализации электронов на фракталах, приводящей, по-видимому к ослаблению перекрытия волновых функций локализованных состояний. Это обстоятельство замедляет характерные времена переходов электронов.

50 40

со

1 30 >

20 10 0

0,16

< 0,14

0,12

0,10

0 400 800 1200 I, С

Рис. 2. Изменение со временем состояния системы после приложения импульса напряжения У=50 мВ длительностью 1 с. Черные кружки - измерения проводимости пробным импульсом: У=11 мВ, длительность 3 с, период 200 с. Пунктиром показано затухание тока в системе в условиях постоянного напряжения с 1 мВ.

Таким образом, если за релаксационные явления в a-ПК ответственны состояния, находящиеся на поверхности с фрактальной геометрией, то исключение канала поверхностной проводимости должно приводить к исчезновению явления долговременной релаксации. Подавление поверхностного канала проводимости достигается, например, гидрогенизацией структур в водородной плазме. Известно, что атомарный водород насыщает оборванные связи посредством формирования химической связи типа Si—Н, энергетический уровень которой лежит вне щели подвижности. Выбрав условия обработки такие, чтобы водород не проникал глубоко в объем a-Si, а лишь взаимодействовал с состояниями вблизи поверхности пор, можно подавить канал поверхностной проводимости. Температура гидрогенизации была выбрана Г=200° С. Коэффициент диффузии водорода из плазмы в ионно-имплантированные слои a-Si при такой температуре составляет величину al О16 см2/с, глубина проникновения за времена 10-15 минут ld ~ 20-30 А. Такая обработка не должна существенно влиять на дефекты, находящиеся в объеме кремния, и взаимодействие водорода с оборванными связями должно происходить преимущественно на поверхности пор.

Исследование зависимости удельной проводимости при комнатной температуре от времени плазменной обработки xpi в компактном a-Si и a-ПК показало, что обработка в плазме практически не меняет проводимость компактного материала,- в то время как в пористом кремнии ее величина уменьшается более чем на два порядка за время xPi=30 минут. Исследования температурной зависимости-проводимости слоев a-ПК, обработанных при различных временах tpi позволили установить, что гидрогенизация пористого аморфного кремния приводит к увеличению размерности проводящего канала от 2.5 до 3 (см. табл.1). Величина нестационарного тока уменьшается при увеличении времени обработки в водородной плазме. Эти данные свидетельствуют о подавлении канала проводимости в среде с фрактальной размерностью путем пассивации водородом поверхностных состояний. Последующая термообработка при температуре >400 °С восста-

Таблица 1. Параметры температурной зависимости проводимости в а-ПК с пористостью Р=45% в зависимости от времени обработки в водородной плазме при Т=200° С.

Tpl, мин Г, К Го, К л A Df gi, эВ'см-1

0 130 ^.StO.^x«4 0.43±0.01 2.51±0.11 (2.8±0.3)х10«

5 170 0.0±0,2)х1(Р 0.40±0.01 2.83±0.12 (2.5±0.2)х10»

10 180 (¡.3±0.4)х10> 0.39±0.02 2.93±0.12 (2.3+0.1)х 10»

15 230 (3.7±1.2)х107 0.25±0.05 3.00±0.3 (2.0±0.1)х108

20 230 (4.5±0.7)х107 0.25±0.04 3.00±0.3 (1.8±0.1)х108

30 270 (4.8±0.9)х107 0.26±0.10 3.00±1.1 (1.4±0.1)х108

навливает исходные свойства системы по температурной зависимости проводимости и кинетике затухания нестационарного тока, по-видимому, за счет выхода водорода из a-Si. Необходимо отметить, что обработка а-ПК в аргоновой плазме в течение 20 минут не изменяет существенно проводимости системы.

Основные результаты и выводы

1. Показано, что статическая проводимость пористого аморфного кремния в области температур Т*<Т<300 К (где Т* - температура перехода к одномерной проводимости) следует закону а(Г)~ехр(-(Г0/Г)") с п=0.25-н0.65, зависящей от условий приготовления объекта. Полученная температурная зависимость хорошо 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<Z)<3. Установлено, что при 7"<Т* проводимость описывается активационным законом ехр(-ДЕ/кТ), который свидетельствует о проводимости по одномерным цепочкам локализованных сотояний.

2. В пористых слоях а-Бм-хМпх (содержание марганца составляло 4 и 7 ат.%) при понижении температуры обнаружен переход от закона Мотта к простому активационному закону ехр(-Д£/*7), что свидетельствует о переходе от трехмерного к одномерному прыжковому транспорту. Доминирующим каналом проводимости в пористом а-Бп.чМпх (для выбранных уровней легирования) является, по-видимому, перенос заряда по объему кремниевых нитей и эффект дробной размерности среды в этом материале не проявляется.

3. Из температурной, полевой зависимостей проводимости пористого аморфного кремния, определены такие параметры материала как размерность системы, средний диаметр кремниевых нитей, трех- и одномерная плотности локализованных состояний, длина свободного пробега электрона.

4. Показано, что проводимость на переменном токе (в дипазоне частот со=10:-106 Гц) в пористом аморфном кремнии возрастает с частотой электрического поля как со с .»-0.94+0.01. Определена эффективная размерность системы £)/=2.3±0.2, что совпадает с величиной £>/, полученной из температурной зависимости статической проводимости в а-ПК.

5. Обнаружен долговременной (в течение десятков минут) процесс затухания тока, при комнатной температуре после подачи на структуру импульса напряжения. Обнаружен эффект памяти: после снятия напряжения электронная система помнит состояние, сформированное приложенным ранее импульсом напряжения, причем кинетика затухания тока одинакова в условиях как приложенного напряжения, так и без него.

6. На основе анализа температурной зависимости скорости затухания, зависимости нестационарной составляющей тока от амплитуды импульса напряжения сделан вывод, что нестационарный ток связан с ннжекцией носителей из контакта на локализованные состояния, находящиеся выше уровня Ферми и их последующей термолизацией к состоянию равновесия во фрактальной среде.

7. 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 при приложении импульса напряжения и замедлению процесса затухания тока. 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.

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

Основная часть материала, представленного в диссертации, опубликована в следующих работах:

1. Yakimov A.I., Stepina N.P., Dvurechenskii A.V., Scherbakova L.A. Low-dimensional hopping conduction in porous silicon. - Physica B, 1995, v.205, p.298-304.

2. Якимов А.И., Степина Н.П., Двуреченский A.B., Щербакова Л.А., Никифоров А.И. Электрические свойства фрактальных систем на основе пористого аморфного кремния. - ЖЭТФ, 1996, т. 110, в.7, с.322-333.

3. Yakimov A.I., Dvurechenskii A.V., Stepina N.P., Scherbakova L.A., Adkins C.J., Chorniy V.Z., Dravin V.A., Groetzschel R. Temperature-induced transition from 3D to ID variable-range hopping conduction in porous amorphous Sii-xMn*. - J. Phys.: Condens. Matter., 1997, v.9, N2, 27 января, p.889-899.

4. Якимов А.И., Степина Н.П., Двуреченский A.B., Щербакова JI.A., Адкинс C.J., Дравин В.А. Низкоразмерная прыжковая проводимость в пористом аморфном кремнии. - 2-ая Российская конференция по физике полупроводников: Тез. докл., Зеленогорск, 1996, с.222.

5. Yakimov A.I., Stepina N.P., Dvurechenskii A.V., Scherbakova L.A., Adkins C.J., Dravin V.A., and Groetzschel R. ID hopping conductivity in porous amorphous Sii-xMnx. - Abstracts of IV International conference on Electrical transport and optical properties of inhomogeneous media. Moscow->St. Petersburg, 1996, p. 113.

6. Yakimov A.I., Stepina N.P., Dvurechenskii A.V., and Scherbakova L.A. Hopping-conductivity and fractal properties of porous amorphous Sii-xMn*. -Abstracts of IV International conference on Electrical transport and optical properties of inhomogeneous media. Moscow->St. Petersburg, 1996, p.l 16.

7. Якимов А.И., Степина Н.П., Двуреченский A.B., Щербакова Л.А., Никифоров А.И. Электрические свойства фрактальных систем на основе пористого аморфного кремния. - 1-ая Всероссийская конференция по материаловедению ,и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния ("Кремний-96"): Тез. докл., Москва, 1996, с. 171.

Литература

1. Мотт Н.Ф., Дэвис Э. Электронные процессы в некристаллических веществах. - М.: Мир, 1982 - 664 с.

2. Шкловский Б.И., Эфрос А.Л. Электронные свойства легированных полупроводников. - М.: Наука, 1979 - 416 с.

3. Звягин И.П. Кинетические явления в неупорядоченных полупроводниках. - М. : Изд-во Моск. ун-та, 19S4 - 192 с.

4. Canhäm L.T. Silicon quantum wire array fabrication by electrochemical and chemical dissolution of wafers. - Appl. Phys. Lett., 1990, v.57, N 10, p.1046-1048.

5. Беляков Л.В., Горячев Д.А., Сресли О.М., Ярошецкий И.Д. Эффективная электролюминесценция пористого кремния. - Физ. и техн. полупров., 1993, т.29,в.11/12, с.1815-1819.

6. Lehmann V. and Gosele U. Porous silicon formation: A quantum wire effect. - Appl. Phys. Lett., 1991, v.58, N8, p.856-858.

7. Ben-Chorin M., Moller F„ Koch F., Schirmacher W- and Eberhard M. Hopping transport on a fractal: ac conductivity of porous silicon. - Phys. Rev. B, 1995, v.51,N4, p. 2199-2213.

8. Unagami T. Formation mechanism of porous silicon layer by anodization in HF solution. - J. Electrochem. Soc., 1980, v. 127, N 2, p.476-483.

9. Smith R.L. and Collins S.D. Porous silicon formation mechanisms. - J. Appl. Phys., 1992, v.71, N 8, R1-R22.

10. Goudeau P., Naudon A., Bomchil G. and Herino R. X-ray small-angle scattering analysis of porous silicon layers. - J. Appl. Phys., 1989, v.66, N 2, p.86-88.

11. Xi-Mao Bao and Hai-Qiang Yang. Control of porous silicon luminescent pattern formation by ion implantation. Appl. Phys. Lett., 1993, v.63, N 16, p.2246-2247.

12. Райх М.Э., Рузин И.М. Флуктуации прыжковой проводимости одномерных систем. - ЖЭТФ, 1989, т.95, в.З, с. 1113-1122.

13. Deutscher G., Levy Y. and Soullard В. Т. Hopping conductivity in a class of . disordered systems. - Europhys. Lett., 1987, v.4, N 5, p.577-582.

14. Забродский А.Г., Шлимак И.С. О влиянии неоднородностей легирования на проводимость сильно легированных и компенсированных полупроводников - Физ. и техн. полупров., 1975, т.9, N 3, с.587-589.