Научная статья на тему 'Электрофизические и оптические свойства силицина'

Электрофизические и оптические свойства силицина Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
339
65
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Машин А. И., Хохлов А. Ф., Кольчугин И. В.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Электрофизические и оптические свойства силицина»

Секция материалов электронной техники

УДК 539.213.2

А.И. Машин, А.Ф. Хохлов, И.В. Кольчугин

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СИЛИЦИНА

Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачвеского, 603600, г. Нижний Новгород, пр. Гагарипа 23, корп. 3, тел.: (S312) 656475, факс: (8312) 658592, e-mail: mas hi m'apftys. и n п. г и пп eL г и

До недавних пор считалось, что в отличие от углерода, который имеет 5 ал* лотропных форм: алмаз, графит, карбин. лонсдейлит и фуллерен, кремний е элементарном виде не может образовывать соединений, в которых атомы кремния имели бы sp2 -и (или) ^-гибридизацию. Обнаруженная нами новая модификация кремния, существование которой доказано методами электронографии и рентгеновской спектроскопии [1,2], названа силицином по аналогии с карбином - третьей аллотропной модификацией углерода, состоящей из прямолинейных углеродных цепочек. Образцы силицина были получены нами в виде тонких пленок (от 100 до 500 нм). Силишін состоит из прямолинейных цепочек, в которых каждый атом кремния связан с двумя соседними атомами .гр-гибридными связями. \'1алая часть атомов находится в spJ- гибридном состоянии и имеет трех ближайших соседей. В силу этого линейные цепочки атомов испытывают изломы примерно через 5-10 атомов. Атомы кремния, находящиеся на таких изломах, имеют одну лишнюю связь, которую они могут использовать для формирования объемной сетки. Кроме этого, в формировании объемного материала могут участвовать межмолекулярные силы Ван-дер-Ваальса.

В настоящей работе мы приводим результаты исследований некоторых' свойств нового материала.

Тонкие пленки силицина получали после отжига в вакууме при 500°С пленок гидрогенизированного аморфного кремния Si:H. Время отжига - 30 минут. Исходный a-Si:H толщиной ~ 400 нм наносился при разложении силана в высокочастотном тлеющем разряде на подложки из кристаллического кремния, плавленого кварца и поликора. Температура подложек в процессе напыления - 250°С.

Как мы уже отмечали в [3], после отжига при 500°С пленки остаются аморфными. При этом силицин формируется не во всех случаях. В частности, необходимо [3], чтобы исходные пленки аморфного кремния были достаточно чистыми от посторонних примесей. Так, концентрация кислорода не должна превышать 0.2 ат.%. Возможность существования линейной аллотропной формы кремния и влияние посторонних примесей на процесс формирования силицина хорошо согласуются с проведенными нами ранее квантово-химическими расчетами.

В данной работе мы изучили морфологию поверхности пленок аморфного кремния и силицина (рис. 1) методом сканирующей зондовой микроскопии на атомно-силовом микроскопе ТМХ-2100 "Accurex" в контактном режиме с приме-

нением стандартных методик. Как видно из рис. 1 ,а и 1,6, полученные нами пленки силицина, а также использованные для его изготовления пленки а-5і:Н. являются структурно неоднородными. Рельеф поверхности пленок а-5/.Я, после отжига которых образование силицина не наблюдалось, повторяет рельеф поверхности подложки (рис. 1 ,с). Структурную неоднородность исходной пленки а-Бі-Н при некоторых режимах напыления наблюдали и ранее. Опираясь на [4], обнаруженную нами морфологию поверхности можно объяснить столбчатой структурой

а

Рис. 1. Морфология поверхности пленок силицина и 0-81:Н а - исходная тенка силицина;

6 - исходная пленка а-8г:Н, использованная для получения силицина; с - тенка а^:Н, отжиг которой при 500°С не ведет к образованию силицина

пленки аморфного кремния. При стандартных условиях получения о-5/:Я столбики расположены перпендикулярно поверхности подложки, что ведет к образованию у пленки рыхлой поверхности, похожей на цветную капусту. Размеры столбиков, внутри которых материал также остается аморфным, зависят от многих технологических параметров получения пленки а-БйН, ее толщины и структуры поверхности подложки и могут меняться от сотен ангстрем до нескольких микрон. Согласно [4], кроме упомянутых выше столбов в пленках а-БгН могут быть микроскопические столбики диаметром ~10А, расположенные под углом к поверхности. Эти столбики представляют собой, по их мнению, материал, сильно обогащенный водородом, за счет того, что водород связывается преимущественно в дисклинациях аморфного кремния.

Так как для изготовления солнечных элементов, как правило, используются пленки д-57.# без столбчатой структуры, были найдены режимы напыления и разработаны различные методы подавления образования столбчатой структуры пленок в процессе роста. Этим, наверное, объясняется достаточно низкая изученность

свойств и структуры пленок аморфного гидрогенизированного кремния со структурными неоднородностями. Однако в нашем случае наличие столбчатой структуры и других линейных дефектов в пленках a'Si:H играет положительную роль. При отжиге при 500°С структурные перестройки в таком материале происходят в условиях высокой концентрации оборванных связей из-за интенсивного испарения водорода и ориентирующего действия стенок столбиков, стимулирующих формирование линейных цепочек кремниевых атомов. Таким образом, по нашему мнению, наличие линейных дефектов в исходной пленке a-Si:H способствует формированию силицина при отжиге. При этом влияние столбчатой структуры на процесс образования силицина возрастает по мере уменьшения диаметра столбиков.

На рис. 2 приведены температурные зависимости проводимости исследуемых пленок. Видно, что проводимость исходных пленок аморфного кремния носит активационный характер во всем исследованном температурном интервале и описывается выражением

а = сг0 ехр(-АЕ кТ), (О

где Д£ - {Ес — Е -) - энергия активации, Et и £f- энергии, соответствующие дну

зоны проводимости и положению уровня Ферми. Проводимость осуществляется носителями, возбужденными с уровня Ферми в распространенные состояния, расположенные выше дна зоны проводимости. Значение энергии активации почти не зависит от условий получения пленок и для пленок a-Si:H со столбчатой структурой составляет величину » 0.88 эВ, а с изотропной структурой - * 0.84 эВ.

1Е04 JE05 1EQS

"Е 1БШ

W

1ЩВ

о

D 1Б®

1S.1Q 1Е.11 1Б12

13 2D 15 ЗА 35 4fl 45 50 53

НГОТ.1/К

Рис.2. Температурные зависимости пленок со следующими структурами:

1 - столбчатой; 2 - силицина; 3.4 - изотропной ; 4 - после отжига при 500°С

После отжига при 500°С температурная зависимость проводимости изотропных образцов во всем исследованном нами интервале температур подчиняется закону (1) с энергией активации -0.45 эВ. В то же время на температурной зависимости проводимости силицина в исследуемом интервале наблюдается два участка с различным механизмом проводимости. В области высоких температур (>420 К) проводимость носит зонный характер. Энергия активации составляет величину = 0.8 эВ. Если считать, что уровень Ферми лежит почти в середине запрещенной зоны аморфного полупроводника, ширина запрещенной зоны силицина равна А1.6 эВ, Вблизи комнатной температуры проводимость осуществляется прыжками носителей заряда, возбужденных с уровня Ферми в локализованные состояния хвостов зон. Температурная зависимость проводимости в этой области

* 1 ■2 ‘ 3 ■4

1%

N

к

ч N кч

\ а

5 Ч

температур также описывается законом вида (1), однако соответствующая энергия активации АЕ ~(Е - £/+ (V) » 0.25 эВ, где Е - энергия, вблизи которой происходят прыжки носителей заряда, а IV « 0.01 эВ - энергия прыжка. Таким образом, при образовании аморфного силицина из л-57.Я создаются дефекты, энергия которых лежит выше уровня Ферми на 0.2 - 0.25 эВ.

Значение запрещенной зоны, полученное из данных по проводимости, хорошо согласуется с результатами оптических экспериментов (рис.З.я и б).

Как следует из рис. 3, спектр поглощения аморфных пленок в исследованном интервале энергий фотонов описывается степенным законом вида

аос(Е~Ея)г, (2)

Ея = Ес - £,,, Е - энергия фотона, а степенной параметр г зависит от условий приготовления аморфной пленки. Для определения ширины запрещенной зоны обычно используется закон Тауца [5]:

а ■ %(о ос (Ьсо - Е^). (3)

%

Лв.еУ

Рис, 3. Спектры края поглощения a-Sr.fi. а — силицина; 6 - поглощения силицина, в различных координатах

Этот закон хорошо выполняется, если распределения плотности состояний в делокализованных состояниях описываются простым параболическим законом. Согласно рис. 3,а диапазон линейности графика Тауца достаточно большой только для исходной пленки и пленки, отожженной при 350СС. Ширина запрещен-

ной зоны, определенная из данного закона, равна для этих образцов, соответственно 1.86 и 1.83 эВ. Для силицина диапазон линейности графика Тауца сильно ограничен. Однако линейная зависимость будет наблюдаться в более широком интервале энергий фотона, если вместо (3) воспользоваться законом Клазеса для спектра края поглощения [6]:

а сс {Нсо - ЕЯУ. (4)

Для сравнения оба графика показаны для силицина на рис. 3,6. Энергетическая зависимость края поглощения типа (4) означает, что плотность делокализованных состояний вблизи Ес и Еу в таком материале линейно зависит от энергии. Значение Ер определенное по закону Клазеса, равно и 1.6 эВ. Как видим, оптическая ширина запрещенной зоны силицина примерно на 0.2 - 0.25 эВ меньше, чем у

a-Si.H. Такое значение Eg не может быть объяснено за счет ее уменьшения при испарении водорода из аморфного гидрогенизированного кремния при отжиге. Согласно [3], отжиг a-5i:H при 500°С ведет к снижению Eg не более, чем на 0.1 эВ.

Таким образом, силицин является полупроводником с шириной запрещенной зоны я 1.6 эВ. Механизм проводимости вблизи комнатной температуры -прыжковый, а (Узоо -- 10 к Ом''см"\ Плотность делокализованных состояний вблизи дна зоны проводимости и потолка валентной зоны в таком материале линейно зависит от энергии.

К сожалению, в настоящее время силицин получен только в аморфном состоянии, и поэтому еще рано говорить о возможных его применениях. Однако если удастся получить микрокристаллы такого материала, то они, на наш взгляд, будут обладать уникальными свойствами. Можно ожидать, что в кристаллическом состоянии это будет одномерный полупроводниковый материал с солитонным механизмом проводимости, не имеющий себе равных в отношении высокой подвижности носителей заряда. Возможно также, что кристаллы силицина, состоящие из линейных атомных цепочек, смогут "работать" как система квантовых нитей, что важно для создания приборов наноэлектроники.

ЛИТЕРАТУРА

1. Хохлов А.Ф., Машин А.И., Хохлов Д.А. Новая аллотропная форма кремния// Письма в ЖЭТФ. Т. 67. в. 9. С. 646-649 (1998).

2. Phillip F. Schewe and Ben Stein, Silicyne, a new form of silicon, Physics News Update, The American Institute of Physics Bulletin of Physics News, Number 388 (Story #3), September 3 (1998).

3. Машин А.И., Хохлов А.Ф., Колъчугин И.В. u др. Линейный аморфный кремний: свойства и влияние ионного облучения на процесс его формирования// Вестник ННГУ. Сер. Физика твердого тела. С. 112-124 (1998) .

4. Физика гидрогенизированного аморфного кремния/ Под ред. Дж.Джоунопулоса и Дж.Люковски; Пер. с англ. М.: Мир. Т. 1,2 (1987).

5. Tauc J, Grigorovici R., Vancu A. Phys. Stat. Sol., Vol. 15. P. 627 (1966).

6. Klazes R.H., van der Brock Bezemer J., Radelaar S., Phil. Mag., Vol.

B25, P. 377(1982),

УДК 621.382.315

Я.Ю. Гусейнов

ВЛИЯНИЕ МЕЖГРАНУЛЬНЫХ БАРЬЕРОВ НА СВОЙСТВА ПЛЕНОК

ОКИСИ ВИСМУТА

Азербайджанское национальное аэрокосмическое агентство,

370106, Баку, пр.Азадлыг 159, тел.: (8922) 621991, факс: 621738

Пленки окиси висмута нашли важное применение в электронике, например в качестве просветляющих покрытий для видимой и инфракрасной областей спектра, составной части многослойных интерференционных светофильтров, в мишенях передающих трубок, в керамических и пьезоэлектрических элементах и др. [1]. Расширение функциональных возможностей систем, содержащих Ві20з, выдвигает необходимость более глубокого и всестороннего их изучения.

В [2] нами были исследованы механизмы проводимости пленок окиси вис-

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.