ЕЛЕКТРИЧНі ВЛАСТИВОСТі іЗОТИПНИХ ГЕТЕРОСТРУКТУР N-TIN/N-SI Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

-□ □-

Виготовлен гетерострукту-ри n-ТiN/n-Si методом реактивного магнетронного розпилення. Вимiряно вольт-амперн характеристики (ВАХ) гетерострук-тури при рiзних температурах.

Дослиджено мехатзми стру-мопереносу через гетеропереходи n-ТiN/n-Si

Ключовi слова: геmероперехiд,

послидовний отр, ТiN

□-□

Изготовлены гетерострук-туры n-ТiN/n-Si методом реактивного магнетронного распыления. Измерены вольт-амперные характеристики (ВАХ) гетеро-структуры при различных температурах.

Исследованы механизмы токо-переноса сквозь гетеропереходы n-ТiN/n-Si

Ключевые слова: гетеропереход, последовательное сопротивление, ТiN -□ □-

УДК 621.315.592

ЕЛЕКТРИЧН1 ВЛАСТИВОСТ1 1ЗОТИПНИХ ГЕТЕРО-СТРУКТУР n -Ti N /n -Si

М.М. Солован

Астрант*

Контактний тел.: 096-821-92-43 E-mail: solovan-86@mail.ru П.Д. Мар'янчук

Доктор фiзико-математичних наук, професор, завщувач кафедри

Кафедра електрошки i енергетики* Контактний тел.: (03722) 4-68-77 E-mail: p.maryanchuk@chnu.edu.ua В. В. Брус Астрант Чершвецьке вщд^ення 1нститут проблем матерiалознавства iM. I. М. Францевича НАН

УкраТни

вул. 1рини ВЫьде, 5, м. Чернiвцi, УкраТна, 58000 Контактний тел.: (0372) 55-12-32 E-mail: victorbrus@mail.ru *Чершвецький нацюнальний унiверситет iм. Ю. Федьковича вул. Коцюбинського, 2, Черывщ, УкраТна, 58012

1. Вступ

Штрид титану (TiN) - знайшов широке практич-не застосування завдяки вдалш сукупностi фiзико-хiмiчних параметрiв: низький питомий опiр, досить високий коефвдент пропускання у видимiй частиш спектру, висока твердiсть, висока зносостшюсть, хороша хiмiчна iнертнiсть i стiйкiсть до корозii[1].

Кремнiй е найпоширенiшим напiвпровiдниковим матерiалом в електрошщ. У зв'язку з великими запасами кремшю i досконалiстю вщпрацьованих тех-нологiй е можливим промислове виробництво фото-електричних приладiв на його основь

Завдяки своiм фiзичним властивостям TiN i Si е перспективними матерiалами для застосування в рiзних фотоелектричних приладах.

2. Експериментальна частина

Для виготовлення гетероструктури використо-вували монокристалiчний кремнiй п-типу провщ-ностi. Напилення тонкоi плiвки п-^^ проводилося на свiжо полiровану поверхню монокристалiчноi пiдкладки n-Si методом реактивного магнетронного розпилення мшеш чистого титану в сумiшi газiв аргону та азоту при постшнш напрузi.

Парщальш тиски аргону та азоту складають 0,35 Па та 0,7 Па, вщповщно, при постiйнiй потуж-носи магнетрона - 120 Вт. Протягом процесу напилення температура шдкладки шдтримуеться на

рiвнi 473 К. Отримаш плiвки TiN володiли п-типом провiдностi.

Фронтальний електричний контакт до тонко'Т плiв-ки нiтриду титану формуеться методом термiчного осадження шдж при температурi пiдкладки 150°С. Тиловий омiчний контакт до n-Si отримували нане-сенням шару А1 методом термiчного випаровування у високому вакуумь

Вольт - ампернi характеристики гетероструктури TiN/Si вимiрювалися за допомогою вимiрювального комплексу SOLARTRON SI 1286, SI 1255.

3. Результати та ¡х обговорення

На рис. 1 приведет прямi гiлки вольт - амперноi характеристики iзотипного гетеропереходу n-ТiN/p-Si, вимiрянi при рiзних температурах.

Шляхом екстраполяцп лiнiйних дiлянок ВАХ до перетину з вшсю напруг визначенi значення ви-соти потенцiального бар'еру фо гетеропереходу при рiзних температурах (фо = eVы, де Vbi - контактна рiзниця потенцiалiв) (вставка рис. 1). Встановлено, що температурна залежшсть висоти потенцiального бар'еру гетероструктури п-1Ш/п^ добре описуеться рiвнянням:

Фс(Т) = Фо(0)-ß9-T ,

(1)

де ßip = 3.3 • 10-3 еВ • К-1 - температурний коефвдент висоти потенцiального бар'еру, а ф0(0) = 2.12 еВ - зна-

© М.М

чення висоти потенщального бар'еру дослiджуваноi гетероструктури при абсолютному нулi температури.

X - - aTiN ) .

(2)

Вiдсутнiсть температурноi залежнос^ нахилу ВАХ i вище згадана висока концентращя поверхневих станiв на металургшнш границi роздiлу гетеропереходу свщчать про домiнування тунельного мехашзму струмопереносу [5, 6]. ВАХ при прямих зм^еннях (3кТ/е <У, В) добре описуеться рiвнянням (3):

I - !0ехр (кТ) ехр [а(Уы - У)] ,

(3)

де Е - енергiя активацп, а - коефвдент, який ха-рактеризуючий можливiсть тунелювання. Перепишемо вираз (3) в шшш формi:

I -10 ехр

(кТ)ехР(аУbi)ехР(-аУ)- 1оо ехр(-аУ), (4)

Рис. 1. Прям1 г1лки ВАХ гетероструктури п-^/п-Бк На вставц1 приведено температурну залежнють висоти потенц1ального бар'ера

Варто зауважити, що великi значення рф i ф0(0), зумовленi високою концентрацiею поверхневих станiв (дислокацп невщповщност^ Nss на межi роздiлу гетеропереходу. У першому наближеннi ^ ~ х-2 [2, 3], де х -вщстань мiж дислокащями невiдповiдностi, визнача-еться з наступного виразу:

де 100 = 10ехр(Е/кТ) ехр(аУы) - струм вщ^чки. З виразу (4) видно, що нахил А 1п(1)/У прямих плок вольт-амперних характеристик зображених на рис. 3 визначае коеф^ент а, який приймае значення 6.5 еВ-1.

Прологарифмувавши вираз струму вiдсiчки от-римаемо:

Е

1п 100 - Ь^ + кТ + аУbi - 1пА + аУbi,

(5)

Значення постiйноi гратки (а^ = 4.24 А) [4] i = =5.43 А [3], для х i Nss отримаемо 19.3 А i 2.67 • 1013 см-2, вщповщно. При такiй густинi поверхневi стани, мо-жуть вiдiгравати роль центрiв захоплення, або реком-бшацп i суттево впливати на електричш властивостi гетероструктур [7,8,10].

Величину послщовного опору гетероструктури Rs можна визначити з нахилу прямоi гiлки вольтамперноi характеристики. Видно, що в облас^ напруг бiльше висоти потенщального бар'еру кривi I = ^У) переходять з експоненцiйноi залежностi в лшшну. Це свiдчить про те, що напруга на бар'ернш облас^ гетеропереходу перестае змiнюватися, тобто бар'ер практично вщкритий, а струм через гетероперехщ обмежуеться його послщовним опором Rs. Визначене значення Rs становить 20 Ом.

Вiдомо, що з нахилу температурноi залежностi 1п (Rs) = £(103/Т) можна визначити глибину залягання робочого донорного рiвня, який визначае властивос^ базового матерiалу. [9, 10]. Але отриманi експеримен-тальнi данi свiдчать про температурноi незалежностi послiдовного опору. Це обумовлено тим, що робочий донорний рiвень е виснаженим в iнтервалi дослщжу-ваних температур.

Умови проходження струму через гетероперехщ п-Т!К/п-8! ускладнюються внаслщок вiдносно високоi концентрацп поверхневих сташв оцiненоi за формулою (2).

На рис. 2 зображеш прямi гiлки ВАХ дослщжува-ного гетеропереходу. Видно, що ВАХ при прямих змь щеннях (3кТ/е <У, В) добре апроксимуються прямоль нiйними лшями в напiвлогарифмiчних координатах, що свщчить про експоненцiальну залежнiсть струму вщ напруги.

де А=10ехр(Е/кТ). Побудувавши температурну залежнють 1п(А)=£(103/Т) (вставка рис. 2), визначили коефвденти 10 i Е, 9.910-3 А i 0.43 еУ, вiдповiдно.

Рис. 2. Прям1 г1лки ВАХ гетеропереходу у натвлогарифм1чному масштаб!: 1 — 297 К, 2 — 308 К, 3 - 318 К, 4 - 331 К, 5 - 343 К. На вставц1 -залежнють параметра А з формули (5) вщ оберненоТ температури

7. Висновки

Виготовлеш гетероструктури п-ПК/п-Э! методом реактивного магнетронного розпилення.

Вимiряно вольт-амперш характеристики (ВАХ) гетероструктури при рiзних температурах. Дослщже-но температурну залежнють висоти потенщального бар'ера та послщовного опору гетеропереходу.

Встановлено, що домшуючим мехашзмом струмопереносу через гетеропереходи п-ПК/п-Э! при прямому зм^енш е тунелювання через область просторово-го заряду за участю поверхневих сташв.

Лиература

1. Gagnon, G. Characterization of reactively evaporated TiN layers for diffusion barrier applications [Текст] / G. Gagnon, J.F. Currie, C. Beique, J.L. Brebner, S.G. Gujrathi, L. Onllet // J. Appl. Phys., 1994, Vol. 75(3), pp. 1565-1570.

2. А. Фаренбрух, Р. Бьюб. Солнечные елементы: Теория и експеримент (М., Энергоатомиздат, 1987) [Пер. с анг.: A.L. Fah-renbruch, R.H. Bube. Fundamentals of solar cells. Photovoltaic solar energy conversion (New York, 1983).

3. К.Чопра, С. Дас. Тонкопленочные солнечные елементы (М.: Мир, 1986) [Пер. с англ. с сокращениями: K.L. Chopra, S.R. Das, Thin film solar cells (Plenum Press, New York, 1981)].

4. Г. В. Самсонов. Нитриды (М. Наукова думка, 1969) С. 133-158.

5. Б.Л. Шарма, Р.К. Пурохит. Полупроводниковые гетеропереходы (М., Сов. Радио, 1979) [Пер. с анг.: B.L. Sharma, R.K. Purohit. Semiconductor heterojunctions (Pergamon Press, 1974)].

6. Brus V.V. Electrical and photoelectrical properties of photosensitive heterojunctions n-TiO2/p-CdTe / V.V. Brus, M.I. Ila-shchuk, Z.D. Kovalyuk, P.D. Maryanchuk, K.S. Ulyanytskiy // Semiconductor Science and Technology. - 2011. - Vol. 26. - 125006.

7. Брус, В.В.Электрические свойства анизотипных гетеропереходов n-CdZnO/p-CdTe [Текст] / В.В. Брус, М.И. Илащук, В.В. Хомяк, З.Д. Ковалюк, П.Д. Марьянчук, К. С. Ульяницкий // ФТП. - 2012. - Том. 46, Вып. 9. - С. 1175-1180.

8. Brus, V.V. Light-dependent I-V characteristics of TiO2/CdTe heterojunction solar cells [Текст] / V.V. Brus, M.I. Ilashchuk, Z.D. Kovalyuk, P.D. Maryanchuk // Semicond. Sci. Technol. - 2012. - Vol. 27. - 055008.

9. Solovan, M.N. Electrical and Optical Properties of TiO2 and TiO2:Fe Thin Films [Текст] / M.N. Solovan, P.D. Maryanchuk, V.V. Brus, O.A. Parfenyuk // Inorganic Materials, 2012, Vol. 48(10), pp. 1026-1032.

10. Брус, В.В. Механизмы токопереноса в анизотипных гетеропереходах n-ТiО2/p-CdTe [Текст] / В.В. Брус, М.И. Илащук, З.Д. Ковалюк, П.Д. Марьянчук, К.С. Ульяницкий, Б.Н. Грицюк // ФТП. - 2011. - Том. 45, Вып. 8. - С. 1109-1113.

Abstract

Titanium nitride and silicon are promising materials for use in various photoelectric devices due to their physical properties, so the research of the isotype heterojunctions n-TiN/n-Si is of considerable interest.

The article studies the electrical properties of the heterojunctions formed by deposition of thin-film ^N of conductivity of n-type on single crystal supports of Si of conductivity of n-type by the method of reactive magnetron sputtering of pure titanium target in mixtures of argon and nitrogen at continuous voltage. The partial pressures of argon and nitrogen are 0.35 Pa and 0.7 Pa, respectively, at constant magnetron power 120 watts.

The volt - ampere characteristics of the heterojunction TiN / Si were measured by the measuring complex SOLARTRON S11286, S11255.

There is an analysis of temperature dependence of height of potential barrier and successive resistance of the heterojunction. The concentration of surface states (mismatch dislocations) Nss at the heterojunctions interface constitutes 2.67 • 1013 sm-2.

It was determined that the dominant mechanism of current flow through the heterojunction n-TiN/n-Si at direct bias is well described in the tunnel model

Keywords: heterojunction, series resistance, TiN