Влияние молекулярных процессов на зарядовый транспорт в структуре кремний-пористый кремний тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВА

Физический факультет Кафедра общей физики и молекулярной электроники

РГБ ОД

2 7 ОКТ На правах рукописи

0 УДК 539.293:537

Петров Александр Александрович

Влияние молекулярных процессов на зарядовый транспорт в структуре кремний-пористый кремний

Специальность 01.04.10 «Физика полупроводников и диэлектриков»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1998

Работа выполнена на кафедре общей физики и молекулярной электроники фи зического факультета Московского государственного университета им М.В.Ломоносова.

Научные руководители: доктор физико-математических наук,

профессор Козлов С.Н.

кандидат физико-математических наук, доцент Демидович Г.Б.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Поспелов В.В.

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Винценц С.В

Ведущая организация: Российский научно-исследовательский

институт физических проблем

Защита состоится « ^ » ноября 1998г. в 1530 на заседании Специализирова! ного Совета № 2 ОФТТ (К053.05.20) в Московском государственном универс1 тете им. М.В.Ломоносова по адресу: 119899, Москва, Воробьевы Горы, МП физический факультет, криогенный корпус, аудитория 2-05а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факульте-МГУ.

Автореферат разослан « 14 _» октября 1998г.

Ученый секретарь Специализированного Совета № 2 ОФТТ (К053.05.20) доктор физ.-мат.наук, профессор

Общая характеристика работы.

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 разори ым 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 эазвита (до 1000 м2/ш3), можно ожидать, что чувствительность сенсоров, юзданных на основе ПК, будет высокой. В значительной мере этот интерес продиктован задачами экологического мониторинга, окружающей среда. Немаловажным обстоятельством является и то, что технология выра-дивания кристаллов кремния заданной чистоты, являющегося «сырьем» 1ля 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.

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 основные задач нашей работы:

1. Систематическое изучение влияния адсорбатов донорного и акцепторного типа на кинетику изменения электронного транспорта через структурь металл-ПК-кремний в широком диапазоне времени.

2. Исследование механизмов зарядового переноса в структуре металл-ПК-кремний при прямом и обратном напряжении. Разработка энергетическое диаграммы структуры металл-ПК-кремний.

3. Изучение специфики зарядового транспорта в структуре металл-ПК кремний в условиях капиллярной конденсации адсорбатов в нанопорах ПК

4. Изучение возможностей использования структур, содержащих слои ПК, ( качестве основы для химических газовых сенсоров.

Научная новизна работы.

В данной работе:

1. Впервые систематически исследовано влияние адсорбции различных молекуу 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 I «квазиобъема» пористого материала.

2. 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.

3. Впервые систематически исследовано влияние капиллярной конденсации на зарядовый транспорт в ПК и предложен электрофизический метод оценки размеров пор в слабопроводящих пористых материалах.

4. 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.

5. 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:

1. Новые экспериментальные данные о влиянии адсорбции донорных и акцепторных молекул на проводимость структур металл-ПК-кремний и металл ОПК-кремний.

2. Новый, впервые обнаруженный эффект быстрого увеличения проводимости нанокристаллических нитей ОПК, стимулированный адсорбцией молекул и электрическим полем.

3. 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).

с

Содержание работы.

Во введении дается обоснование актуальности работы, кратко перечисляются задачи исследования и полученные результаты, имеющие научную новизну. Указываются области их практического применения.

В первой главе кратко дается обзор литературы, посвященной получению и исследованию структур металл-ПК-кремний и металл-ОПК-кремний. Рассмотрены методы создания на поверхности монокристалл; кремния пленки ПК, механизмы ее образования и морфология слоев ПК Отдельный параграф посвящен проблемам создания ОПК. Показана сложность и многостадийность проходящих на поверхности нанокристалличе-ских кремниевых нитей процессов окисления. Указан оптимальный режиг. термического окисления ПК в сухом кислороде, который и был использо-

ан автором в работе. Далее дается обзор электрофизических характеристик сследуемых структур с учетом действия квантоворазмерных эффектов. Ос-егцены проблемы, связанные с обсуждением в литературе механизмов проводимости нанокристаллических кремниевых нитей. Рассмотрены имеющиеся на данный момент исследования влияния внешней газообраз-:ой среды на вольт-амперные характеристики (ВАХ) структур металл-ПК-ремний и на составляющие импеданса этих структур в широком диапазоне частот. Учитывая проведенный анализ, в конце главы подробно сформированы цели настоящей диссертации.

Во второй главе описаны способы получения исследуемых структур [еталл-ПК-кремний и металл-ОПК-кремний, результаты их качественного онтроля методом ИК-спектроскопии, методы подготовки адсорбатов, и кспериментальные методики, использованные в работе.

Пленки ПК изготавливались методом электрохимического анодиро-ания на поверхности (100) монокристаллического кремния р-типа с дельным сопротивлением 10 или 12 Ом-см. В отдельных экспериментах ;спользовались слои ПК, сформированные на п-кремнии. В качестве като-а использовалась пластинка свинца. Электролит представлял собой 48%-й аствор НБ, смешанный в пропорции 1:1 с 96%-м этиловым спиртом. При лотности тока 20 мА/см2 в течение 1 или 7 мин формировалась пленка 1К толщиной ~1 мкм или ~7 мкм соответственно. При выбранном режиме иодирования оценка пористости Р гравиметрическим методом для образ-нов р-типа составляла: Р=66±2% (слой ПК 1 мкм толщины) и Р=70±2% :лой ПК 7 мкм толщины). После получения ПК часть образцов подверга-ась термическому окислению в сухом кислороде при давлении -600 мм.рт.ст. Окисление осуществлялось в кварцевой ампуле универ-альной вакуумно-адсорбционной установи! и проводилось в два этапа: начала образец с пористым слоем прогревался в атмосфере сухого кисло-ода 3 часа при 300°С, затем температура повышалась до 750°С и поддерживалась на этом уровне 2 часа. После изготовления пленок ПК и ОПК бразцы помещали в вакуумную напылительную установку для нанесения [етодом термического распыления металлических контактов, проницаемых ля молекул газов. Напыление проводилось через металлическую маску, имеющую ряд отверстий диаметром 1 мм. Для предотвращения глубокого роникания частиц металла в поры ПК держатель с образцами располагал-я под углом -45° к потоку частиц металла. Для более прочной адгезии ме-алла к слою ПК образцы разогревались до температуры ~200°С. Контакты

к пористому слою создавали последовательным распылением сначала нихрома (содержание никеля в сплаве 80%) до образования слоя толщиной 2-4 нм (в качестве подслоя для лучшей адгезии), а затем серебра (слой толщиной 20 нм).

Универсальная вакуумно-адсорбционная установка предназначалась для вакуумирования образцов и контролируемого напуска различных ад-сорбатов в газообразной фазе. Установка обеспечивала достижение и поддержание в течение длительного времени вакуума р~10"5 мм.рт.ст. и имелг экспериментальную камеру, снабженную держателем образцов с подводящими контактами, подключенными к измерительной цепи. Газообразны! адсорбаты (кислород и аммиак) находились в баллонах, снабженных кранами, а жидкие адсорбаты (вода и обезвоженный этанол)- в ампулах, такж< имеющих краны. Перед использованием все адсорбаты проходили процедуру специальной очистки.

Изучение влияния адсорбции веществ на электрофизические харак теристики структур металл-ПК-кремний или металл-ОПК-кремний, поме щенных в вакуумно-адсорбционную установку, проводилось при помощ! электрической схемы, содержащей последовательно включенные стабили зированный источник постоянного напряжения, позволяющий устанавли вать на выходе постоянное напряжение до 5+0,01В, а также блок измере ния токов (0,1-100мкА) и напряжений (0,01-10В). Перед проведением все. экспериментов структуры подвергались стандартной термовакуумной обра ботке (ТВО), представляющей собой двухчасовой прогрев исследуемы структур в вакууме при температуре ~150°С. Температура образца при ТВ( и в процессе экспериментов контролировалась термопарой «хромель алюмель», находящейся на держателе образца в экспериментальной камере

Исследование импеданса проводилось на установке, собранной н базе моста полных проводимостей и емкостей, разработанного Институто] физики полупроводников Сибирского отделения РАН. Проводимость : емкость измерялись независимо друг от друга в диапазоне часто 0,1-200 кГц с амплитудой синусоидального сигнала 2В с погрешностью п емкости 0,1% и по проводимости 1%. Сигнал с выхода моста усиливалс селективным вольтметром и подавался на вход Y осциллографа, на вход которого приходил и опорный высокочастотный сигнал. Полный балан достигался подбором переменных емкости и сопротивления. При необхс димости на исследуемую структуру через клеммы моста могло подаватьс постоянное напряжение смещения.

Третья глава диссертации содержит результаты экспериментов, проеденных в данном исследовании. В начале главы проводится сравнитель-ый анализ ВАХ структур металл-ПК-кремний, металл-ОПК-кремний и [еталл-кремний (без пористого слоя), которые были использованы в рабо-е. Отмечено, что вольт-амперные характеристики всех структур резко не-имметричны, что обычно характерно для диодов Шоттки на основе полу-:роводников с дырочной проводимостью (УЕ<0 на металле соответствует [рямому току). Отсутствие симметрии характеристик окисленного слоя 1К, очевидно, вызвано присутствием в пористом слое кремниевых нитей, вторые в процессе термического окисления сохранили кремниевую про-одящую «сердцевину», по которой и осуществлялся токоперенос. Далее [роведен анализ возможности использования модели, созданной для опи-ания классической структуры металл-полупроводник, к исследуемым труктурам металл-ПК-кремний. Для этого были получены ВАХ такой труктуры для ряда температур в диапазоне от -21°С до 60°С, и проведены тцательные измерения высоты потенциального барьера тремя известными гетодами. Было показано, что существует возможность описать ВАХ струк-ур металл-ПК-кремний в режиме прямых смещений, исходя из классиче-:кой теории, разработанной для контактов металл-полупроводник, если гринять, что фактор неидеальностй несколько завышен до значений по->ядка 2. Значения высоты барьера, полученные разными методами, совпадали с точностью до ошибки вычислений Дфь=±0,02 эВ между собой во ¡сем диапазоне температур. При комнатной температуре высота потенци-льного барьера оказалась равной срь=0,70 эВ. Высота потенциального ¡арьера слабо росла с температурой по линейному закону.

Перед тем, как перейти к изучению изменения проводимости струк-ур металл-ПК-кремний, вызываемых воздействием адсорбированных мо-[екул, были выполнены контрольные эксперименты на структурах металл-:ремний (без пористого слоя). Было показано, что адсорбция акцепторных юлекул приводит к незначительному увеличению прямого тока через эти труктуры, а донорных- к его уменьшению, что можно полностью объяс-гать изменением высоты барьера Шоттки на поверхности полупроводника юд действием создаваемых в процессе адсорбции заряженных центров до-юрного или акцепторного типа.

Исследование длительного влияния адсорбции донорных и акцептор-1ых молекул на проводимость структур металл-ПК-кремний проводилось с

0 1

60 - —х— вакуум

вода:

50 - -----5 мин

-30 мин

40 - --•-- 60 мин

■ —□— 120 мин

30 -•■А--- 180 мин

2 3

и, V

60 50 40 30 20 Н Ю 0 -10

Рис. 1 Изменения ВАХ структуры металл-ПК-кремний при адсорбции паров воды (р/р5=0,4).

3

4

2

5

использованием тестовых молекул воды и этанола (доноров) и молекул кислорода, являющегося акцептором. В результате этих исследований выяснилось, что характер изменений проводимости исследуемой структуры целиком определяются свойствами адсорбата и его давлением в экспериментальной камере. Адсорбция донорных молекул вызывает увеличение как прямого, так и обратного тока сразу после напуска (для примера на рис.1 приведен результат эксперимента с напуском воды), что прямо противоположно тому эффекту, который наблюдался на классических диодах Шоггки (без пористого слоя). При этом оказалось, что обратный ток через структуру в процессе адсорбционного воздействия меняется гораздо сильнее, чем прямой. При долговременном выдерживании структуры в парах адсорбата наблюдалась длительная кинетика изменения тока через структуру: ток после напуска не оставался постоянным, а продолжал расти и достигал максимума за некоторое конечное время, определявшееся относительным давлением паров независимо от того, какой адсорбат был напущен. При относительном давлении р/р5=0,4 это время составляло порядка 2 часов, при более низких (р/р5=0,03) этот отрезок времени увеличивался до 5-6 часов. Изменения высоты потенциального барьера плавно следовали за изменения-

о

1

2

3

4

е

5

, " 2,5

- 2,0

- 1,5

ми прямого и обратного тока. Абсолютное максимальное значение уменьшения высоты барьера в случае напуска воды и этанола Дсрь составило около 0,15 эВ. Одновременно отмечено увеличение фактора неидеальности структуры в 5-6 раз сразу после напуска паров как воды, так и этанола, в камеру с образцом. Последующее вакуумирование структуры приводило к возвращению величины как обратного тока, так и прямого, до первоначального значения в вакууме за 8 часов и более.

Процесс адсорбции акцепторных молекул, в отличие от до-норных, приводит к сложному немонотонному характеру изменений проводимости структуры металл-ПК-кремний (рис.2). Величина изменений прямого и обратного тока в десяти! раз меньше той, которая имела место при адсорбции донорных молекул. Как и в предыдущем случае, обратный ток меняется сильнее прямого. В процессе адсорбции кислорода можно

условно выделить две стадии изменения проводимости структуры металл-ПК-кремний. На первой стадии (в течении первых нескольких минут после напуска газа) обратный ток незначительно увеличивается, как это было в тестовых экспериментах на контакте Шоттки, и соответствует отрица-

1,0

- 0,5

0,0

-0,5 -

-1,0

-0,5

-1,0

-1,5

Рис. 2 Изменение со временем ВАХ структуры металл-ПК-кремний после напуска кислорода при давлении 10 мм.рт.ст.

б) Профиль изменения обратного тока со временем при тех же условиях при величине напряжения смещения на металле УЕ=+5В.

тельному заряжению поверхности полупроводника. Вслед за этим наступает вторая стадия, когда как прямой, так и обратный ток начинает медленно уменьшаться, причем со временем наблюдается тенденция к его стабилизации. Таким образом, знак эффекта влияния акцепторных молекул на ток через структуру металл-ПК-кремний в итоге соответствовал положительному заряжению поверхности и был прямо противоположен тому, что наблюдается на классических структурах в аналогичном случае. Вакуумиро-вание структуры показало, что адсорбция кислорода в слое ПК происходит с образованием достаточно прочных химических связей. В отличие от процесса удаления донорных молекул, длительная откачка кислорода из слоя ПК практически не влияет на послеадсорбционные ВАХ.

Поскольку в работе использовались пары веществ, которые при комнатной температуре могут находиться в жидком агрегатном состоянии и частично диссоциировать на ионы, представлялось необходимым установить условия возникновения ионного дрейфа в ПК. Для выполнения этой задачи использовались структуры металл-ПК-кремний, а также структуры, в которых пористый слой был термически окислен (структуры металл-ОПК-кремний). Оказалось, что заполнение основного объема микропор конденсатом воды и этанола происходит при относительном давлении р/р5~0,6-0,7, что соответствует среднему радиусу пор в ПК 2-3 нм. Эта величина хорошо согласуется с результатами, полученными на аналогичных образцах ПК «классическим» методом получения изотерм адсорбции инертных газов при низких температурах. Проведенные в этой части работы исследования зависимости проводимости стругауры кремний-ПК-металл от относительного давления паров адсорбата позволили предложить новый, электрофизический, метод оценки как размеров пор в слое ПК, так и порога конденсации адсорбатов. Преимуществом метода является то, что измерения могут быть проведены на образцах сколь угодно малых размеров. Методика в принципе может быть использована при исследовании любых нанопористых объектов с низкой собственной проводимостью, а также любых конденсирующихся сред с заметной проводимостью. В процессе адсорбции донорных молекул воды и этанола обратный ток структур металл-ОПК-кремний также претерпевает длительные изменения, и знак эффекта тот же, что и на структурах с неокисленным ПК, но эти изменения очень малы и связаны с появлением ионной составляющей проводимости и ее влиянием на процессы'зарядового переноса по микропорам ПК. Эксперименты показали, что вклад ионного дрейфа может быть олреде-

ляющим лишь при высоких относительных давлениях паров адсорбата (р/р5>0,4).

О 40 80 120 160 200 240 280 320

t, rain

Рис. 3 Зависимости от времени тока через структуру ЙЬОПК-металл, помещенную в пары этанола и аммиака, после приложения напряжения УК=-5В к металлическому электроду и после следующих процедур (стрелки на рисунках показывают момент начала соответствующей операции): 1- вакуумирование при включенном напряжении Уё=-5В; 2- выключение смещения (Уе=0В); 3,5- включение У<,=-5В; 4-подача смещения Ув=+5В. Давление паров: этанола -8 мм.рт.ст., аммиака -11 мм.рт.ст.

В процессе работы был открыт эффект адсорбционно-стимулированной «канальной» проводимости (рис.3). Сущность эффекта заключается в создании наперед заданного состояния повышенной проводимости системы металл-ОПК-кремний посредством сочетания адсорбци-онно-десорбционного цикла с полевыми воздействиями разного знака. Эффект проявляется после напуска паров диссоциирующих и слабодиссо-циирующих донорных молекул и последующей за этим подачи на металлический электрод постоянного прямого напряжения смещения. Прямой ток начинает расти сразу после подачи потенциала на металлический электрод

структуры, при этом ток растет со временем неэкспоненциально. Скорость этого роста определяется как давлением адсорбата, так и величиной поданного на структуру напряжения. Сочетая в дальнейшем процесс вакуумиро-вания и подачу потенциала на металлический электрод, можно управлять проводящим состоянием всей структуры (рис.3), как уменьшая прямой ток через нее, так и увеличивая его таким образом, что становится возможным задавать новые стабильные проводящие состояния. Оказалось при этом, что можно управлять чувствительностью структуры'к молекулам определенного типа, задав предварительной адсорбционно-полевой обработкой в парах какого-либо другого адсорбата практически любой «начальный» уровень тока через структуру.

Исследование структуры металл-ОПК-кремний в созданном состоянии повышенной проводимости (на рис.3 -участок кривых 1-2) методом импедансной .спектроскопии показало, что во всем диапазоне частот 100Гц-200кГц проводимость и емкость увеличены на порядок по сравнению с соответствующими величинами, когда структура находилась в вакууме. Одновременно происходит небольшое уменьшение наклона экспериментальной зависимости логарифма проводимости от логарифма частоты. На основе полученных данных предложена эквивалентная схема структуры, получившая подтверждение в процессе численного моделирования. Схема представляет комбинацию большого количества параллельно соединенных КС-цепочек (где сопротивление описывает свойства контакта металл-ПК, а емкости соответствуют емкостям барьеров на границах), «модифицированных» дополнительно включенными последовательно сопротивлениями, отражающих существование «квазиобьемных» сопротивлений нанопроволок.

В четвертой главе кратко обобщены полученные результаты и предложены физические модели. При построении энергетической диаграммы структуры металл-ПК-кремний, позволяющей объяснить адсорбционные эффекты, использованы результаты оптических исследований (а именно, уширение запрещенной зоны вследствие влияния размерного квантования) и теоретические разработки. В соответствии с предложенной диаграммой оказалось, что в режиме прямого напряжения смещения на структуре анализ экспериментальной ВАХ позволяет вычислить барьер на границе металл-ПК. Граница ПК-кремний в таком режиме смещений будет играть роль омического контакта для дырок. При адсорбции различных молекул происходит несколько процессов, влияющих на движение носителей заряда

через структуру, и изменение тока через нее зависит от того, какой из этих процессов будет определяющим. При адсорбции донорных молекул основную роль будет играть квазиобъемное «легирование» нитей ПК основными носителями заряда, а в случае адсорбции акцепторных молекул- процессы перезарядки как границы металл-ПК, так и объема ПК. Из результатов адсорбционных экспериментов также следует, что фактор неидеальности скорее отражает неоднородность ПК, чем влияние термополевой эмиссии через барьер Шоттки, как это обычно бывает в контактах металл-полупроводник.

Эффект адсорбционно-стимулированной «канальной» проводимости предположительно связан с возникновением ионного подвижного заряда вследствие диссоциации адсорбированных молекул, наиболее интенсивно идущей в краевом поле металлического электрода, и последующего за этим процесса динамического изменения заряда поверхности за счет дрейфа ионов вдоль нитей в слое ОПК. Дрейф ионного заряда приводит к изменению концентрации свободных основных носителей в полупроводниковой «сердцевине» окисленных «нитей», вследствие чего проводимость слоя ОПК 63'дет меняться. Изменяя полярность приложенного напряжения, становится возможным перемещать ионный отрицательный заряд вдоль поверхности окисленных кремниевых нитей в нужном направлении, управляя проводимостью всего слоя ОПК в широких пределах. В предложенной модели эффекта существенным оказалось то обстоятельство, чтобы знак подвижных зарядов на поверхности ПК был противоположен знаку основных носителей в структуре.

Выводы диссертационной работы.

1. Показано, что вольт-амперная характеристика структуры металл-ПК-кремний может быть хорошо описана уравнением ВАХ для контактов металл-полупроводник с несколько завышенным фактором неидеальности, отражающим пространственную неоднородность пористого слоя. Вычисление высоты потенциального барьера для свободных носителей заряда в этих структурах тремя разными методами дает хорошо согласующиеся между собой результаты.

2. Подробно рассмотрена роль в электронном транспорте обоих потенциальных барьеров, имеющихся на границах раздела структуры металл-ПК-

кремний. Показано, что, как правило, процесс токопереноса в структуре определяется лишь потенциальным барьером на границе металл-ПК.

3. Проведено сопоставление влияния адсорбции донорных и акцепторных молекул на проводимость структур металл-ПК-кремний и «классических» контактов металл-полупроводник на основе кремния. Показано, что отклик этих систем на воздействие газообразных сред в одинаковых экспериментальных условиях носит качественно различный характер.

4. Систематически исследовано влияние адсорбции различных молекул на кинетику изменения проводимости структур на основе пористого кремния и окисленного пористого кремния в широком диапазоне времен в различных экспериментальных условиях и показано, что изменения тока определяются процессами изменения зарядового состояния как поверхности, так и «квазиобъема» пористого материала.

5. Построена энергетическая диаграмма структуры металл-ПК-кремний и предложена модель, позволяющая описать полученные в работе закономерности поведения проводимости системы металл-ПК-кремний при длительной адсорбции газов. Согласно этой модели, важную роль в возникновении исследованных эффектов играет квазиобъемное молекулярное «легирование» кремниевых нитей ПК.

6. Систематически исследовано влияние капиллярной конденсации на зарядовый транспорт в ПК. Определена граница капиллярной конденсации адсор-батов, находящихся в обычных условиях в жидком агрегатном состоянии, в нанопорах ПК. Предложен электрофизический метод оценки размеров пор в слабопроводящих пористых материалах.

7. Исследованы изменения импеданса системы металл- ОПК-кремний, происходящие при адсорбционно-полевых воздействиях, в широком диапазоне частот. Предложена эквивалентная электрическая схема этой системы, учитывающая как объемные свойства ПК, так и свойства границы ПК-кремний.

8. Обнаружен и исследован эффект адсорбционно-стимулированной «канальной» проводимости, связанный с динамическим взаимодействием электронной подсистемы ОПК и подвижного ионного заряда на поверхности окисленных кремниевых нитей Показано, что с его помощью можно формировать состояние системы с наперед заданной проводимостью слоя ПК.

9. 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.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Демидович В.М., Демидович Г.Б., Козлов С.Н., Лунга С.П., Петров A.A. « Влияние адсорбции на перенос заряда в системе пористый кремний-металл.» //«Вестник Московского Университета.» Сер. Физика. Астрономия. 1996, №4, с.99-102.

2. Демидович В.М., Демидович Г.Б., Козлов С.Н., Петров A.A. «Молекулярная и ионная подвижность в окисленном пористом кремнии. //Материалы 3 Всероссийской конференции «Структура и динамика молекулярных систем» «Яльчик9б». Москва- Казань- Йошкар-Ола, 1-6 июля 1996, ч.2, с.95-98

3. G.B.Demidovich, V.M.Demidovich, V.R.Karibyants, S.N.Kozlov, A.A.Petrov. «The influence of the absorption on the charge transfer in the porous silicon-metal system». //Materials of the X European Conference on Solid-State Transducers «Eurosensors-X» Leuven, Belgium 8-11 Sept. 1996, v.3, p.1109-1112.

4. Демидович B.M., Демидович Г.Б., Козлов C.H., Петров A.A. «Динамика молекулярно-ионных процессов в нанопорах окисленного пористого кремния». //Материалы 4 Всероссийской конференции «Структура и динамика молекулярных систем» «Яльчик-97» 26-30 июня 1997г., Москва-Казань-Йошкар-Ола, ч.2, с.10-14

5. Демидович В.М., Демидович Г.Б., Козлов С.Н., Петров A.A. «Процессы электропереноса в фрактальном пористом диэлектрике.» //Материалы Международной научно-технической конференции «Диэлектрики-97», Санкт-Петербург, 24-27 июня 1997г., т. 1, с.32

6. Демидович В.М., Демидович Г.Б., Козлов С.Н., Петров A.A. «Молекулярная чувствительность структур на базе нанопористого кремния.» //Тезисы Всероссийской научной конференции «Физические проблемы экологии», 23-27 июня 1997г., Москва, т.1, с.24,

7. Демидович В.М., Демидович Г.Б., Козлов С.Н., Петров A.A. «Электрофизический метод определен™ размеров пор в пористом кремнии.» //«Вестник МГУ», сер.З Физика. Астрономия, 1998, № 1, с.56-58

8. Демидович В.М., Демидович Г.Б., Козлов С.Н., Петров А.А. «Адсорбционно-управляемая «канальная» проводимость в окисленном пористом кремнии.» //«Письма в ЖТФ», 1998, том 24, вып. 2, с. 27-31.

9. V.M.Demidovich, G.B.Demidovich, S.N.Kozlov, A.A.Petrov. «The conductivity modulation of the oxidized porous silicon by the drifting surface charge.» //Materials of the International conference «Porous Semiconductors-science and technology.» «Porous Semiconductors-98» Mallorca, Spain, 16-20 March 1998, p.60-61.

10.V.M.Demidovich, G.B.Demidovich, S.N.Kozlov, A.A.Petrov. «The influence of an adsorption on the charge transport in the porous silicon and the oxidized porous silicon.» //Materials of the International conference «Porous Semiconductors- science and technology.» «Porous Semiconductors-98» Mallorca, Spain, 16-20 March 1998, p.177-178.

П.Петров A.A., Невзоров A.H., Козлов C.H., Демидович В.М., Демидович Г.Б. «Влияние молекулярного и ионного переноса на электронный транспорт в пористом кремнии в широком диапазоне частот.» //Материалы 5 Всероссийской конференции «Структура и динамика молекулярных систем» «Яльчик-98» 22-27 июня 1998г., Москва-Казань-Йошкар-Ола, ч.2, с. 129-134