WEB-ресурс научно-практических конференций

ВКЛАД ПОВЕРХНОСТНЫХ СОСТОЯНИЙ В ЭЛЕКТРОПЕРЕНОС АЛМАЗНОЙ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ПЛЕНКИ

В. И. Тимченко, В. А. Сорока

Донбасская национальная академия строительства и архитектуры

Стабильность и управляемость процессами электропереноса является определяющими фактором для приборов электронной техники. Нелегированные CVD алмазные пленки сразу после реакции осаждения имеют довольно высокую электропроводность (~ 10 ^{- 6 См см -1} ), по сравнению с природными алмазами, которая существенно уменьшается после отжига [1]. Обработка в водороде (гидрогенезация) алмазных пленок ведет к изменению проводимости, что указывает на значительный вклад поверхностных состояний.

Ответы на вопросы о качестве и некоторых электрических свойствах могут быть получены при изучении процессов электропереноса в алмазных поликристаллических пленках в зависимости от типа контактов, величины и направления приложенного электрического поля, в равновесных и неравновесных условиях.

Омический контакт к алмазу может быть создан материалами с работой выхода ~ 4,5 эВ. Такими являются W (4.52эВ), Ag (4,3эВ), поликристаллический углерод (аквадаг)(4,7эВ) [2]. Изучение электрических свойств образцов пленок на кремниевых и других чужеродных подложках сопряжено с необходимостью учета вклада процессов протекающих учетом контактов и подложки. Поэтому для исследований ростовая подложка была удалена, и изготовлены образцы АПП с планарной структурой расположения контактов.

АПП представляет собой сросшиеся кристаллиты. Межзеренные границы заполнены, скорее всего, аморфным углеродом. Поэтому при изучении свойств пленки необходимо учитывать вклады поверхностных состояний и влияние межзеренных границ. В равновесном состоянии в запрещенной зоне АПП уровни энергии создаются в пограничных областях ненасыщенными связями на границах зерен [3,4].

Захват носителей заряда приводит к изгибу зон в зернах и образованию межкристаллитного барьера, который ограничивает перенос заряда между зернами. Линейные размеры кристаллитов в образцах АПП d ~ 1 мкм. Если рассмотреть одномерную цепочку из N кристаллитов, то для полученных образцов АПП по нашей оценке она составляла ~ 1.5·10 ³ зерен. Предположительно размер зерен значительно больше ширины межзеренных границ, которые формируют межкристаллитный барьер.

Предполагая, что приповерхностный объемный заряд возникает из-за поверхностных состояний, распределенных по экспоненциальному закону:

, (1)

где Е=Е _V - E _C , E _C   =0- начало отсчета, Е _V   ? 5,6эВ - потолок валентной зоны. Е ₀ –энергия спада плотности распределения ловушек, характеризующая глубину их проникновения в запрещенную зону.

Плотность зарядов на поверхности зерна составит

, (2)

где ? – толщина барьера, N _S – поверхностная плотность пограничных состояний N _S ? 7 10 ⁷ см ^-3 ; Е – энергия;   q – заряд.

Если к кристаллиту приложить потенциал U _o , смещение потенциалов V ₁ ( u ) и V ₂ ( u ) на границе зерен приведет к изгибам энергетических зон, определяемые выражениями:

  - слева от границы

- справа от границы

В результате все энергетические уровни сместятся и величина смещения энергетических уровней в глубине кристаллита при условии   d>>L _D   составит:

(3)

где L _D -– Дебаевская длина экранирования, - здесь N _d -концентрация доноров в пограничном состоянии

Вероятность туннелирования носителей определяется дрейфовыми скоростями, которые связаны со смещением потенциала на пограничных уровнях

-слева от границы

- справа от границы, (4)

µ- подвижность носителей. В АПП она составляет ~1.5см ² В ^-1 с ^-1 [5].

Плотность тока с учетом возможного туннелирования носителей и захвата носителей на пограничные состояния определяется как

(5)

где - ?(U) –   слагаемое, учитывающее направленное туннелирование, которое равно

(6)

где - - средняя тепловая скорость носителей, n _o – равновесная концентрация носителей.

На рис.1. показана ВАХ, полученная в соответствии с (5) для единичного кписталлита алмазной пленки. В двойном логарифмическом масштабе нелинейная зависимость J=f(U) проявляется для U >0,5 B .

Рис.1.ВАХ единичного алмазного кристаллита

В этом случае можно определить область линейной зависимости ВАХ для образцов АПП. По нашим оценкам величина поля для образца с линейными размерами l~ 1–2 мм составит ~ 4кВ/см.

Воздействие оптического излучения [4,6] на поликристаллы вызывает существенное изменение функции распределения носителей по энергетическим состояниям границ раздела.

Плотность носителей n ( t ), локализованных на границах, пропорциональна уровню фотовозбуждения при постоянном напряжении смещения. Это позволяет увеличить плотность тока и выделить его составляющую, связанную с особенностями фотовозбуждения . Т.о. при достаточно интенсивном потоке облучения и при низких значениях коэффициента поглощения (для АПП ближняя ИК – область), можно провести спектральный анализ состояния поверхностей раздела кристаллитов.

При изучении электрофизических свойств АПП, состоящих из сросшихся кристаллитов необходимо учитывать вклад границ зерен. Увеличение приложенного к пленке электрического поля, должно привести к понижению роли межзеренных барьеров и выделению роли кристаллической фазы. Планарное подключение контактов к пленке позволяет определить поверхностный ток, который пропорционален напряженности электрического поля.

В проведенных исследованиях электропроводности CVD - алмазной пленки установлено что ВАХ содержит два участка, линейный и суперлинейный (рис.2а). Первый участок имеет наклон близкий к единице, второму соответствует наклон около 2 [7]. Точка перехода от линейной к суперлинейной зависимости ВАХ соответствует полю Е = 2,5 кВ/см, по порядку величину близкому к рассчитанному. В диапазоне полей 0 до 2,5кВ/см. зависимость тока от напряжения линейная. Таким образом, при низких величинах напряженностей поля (в диапазоне до 2,5 кВ/см) ВАХ указывают на омический характер электропроводности АПП и низкий вклад процессов инжекции носителей из контактов.

Из результатов проведенных исследований ВАХ наших образцов проведена оценка удельного сопротивления пленки, значение которого составило величину ~5 10 ⁶ Ом см.

а б

Рис.2 Вольт- амперные характеристики АПП а) без освещения б) при непрерывном монохроматическом освещении

Такой характер ВАХ, описанный в [8], объясняется тем, что вначале инжектированные электроны (также как и дырки) захватываются ловушками. Поэтому электродная составляющая тока отсутствует, а регистрируемый ток через пленку обусловлен лишь термически возбужденными носителями.

Для электрических полей, напряженностью свыше 2,5 кВ/см напряжение становится достаточно большим для того, чтобы инжектируемые носители прошли через весь образец, при этом ток электронов, ограниченный рекомбинацией, начинает доминировать над током «тепловых» дырок и регистрируемый ток через пленку становится пропорциональным квадрату напряжения.

При освещении образца монохроматическим светом ток существенно возрастает за счет дополнительной генерации неравновесных носителей, а наклон равен 2 во всем диапазоне полей (рис.2.б). Таким образом, под действием монохроматического облучения снимается влияние возникающих барьеров, связанных с условиями роста .

Под действием модулированного монохроматического облучения, образцов пленок, переменная составляющая фотоотклика связана с омическим механизмом проводимости во всем исследуемом диапазоне электрических полей (~ Е = 5,5 кВ/см) как показано на рис.3, а линейность зависимости переменной составляющей плотности тока от напряженности поля выполняется для монохроматического излучения в ближнем ИК диапазоне (500-1500 нм). Именно импульсное возбуждение пленок позволяет выбрать удобный диапазон напряжений для получения достаточно высокого и стабильного фотоотклика АПП.

Рис.3. Омическая зависимость нестационарного фотоотклика АПП

Величина удельной проводимости пленки, определенная из исследований ВАХ нестационарного фотоотклика при планарном подключении контактов равна, ? =(1,8±0,3)10 ^-4 См·см ^-1 . Полученные нами величины удельной поверхностной составляющей проводимости из измерений ВАХ при равновесных условиях и модулированном облучении соизмеримы. Можно сделать вывод, о том, что при импульсном возбуждении монохроматическим светом перенос носителей осуществляется преимущественно по поверхности.

При исследовании ВАХ вдоль поверхности роста образцов АП, облучаемых белым светом, точка перехода от омической к квадратичной зависимости смещается в сторону меньших полей и для исследуемых пленок составляет 0,2кВ/см. – т.е. освещение АП приводит к понижению вклада межкристаллитных барьеров.

Как видно, фотоприемники изготовленные на основе алмазных поликристаллических пленок по компланарной технологии чувствительны к величине электрического поля и могут быть использованы для регистрации излучения в видимой и ближней ИК областях.

Литература:

1. Sugino T., Muto Y., Shirafuji J., Diamond and Rel. Mat. 2, 1993, 797-802.

2. Wei W.F. Seivo W.J. Photoelectronic emission   and Work function of semiconducting diamonds, Carbon, 1976.13.p.425-431

3. Дощанов К.М. Теория переноса заряда в поликристаллических полупроводниках с глубокими примесными центрами// Физика и техника полупроводников. - 1998. - Т. 32. №6. - с.690-695.

4. Дощанов К.М.Нелинейные и динамические свойства явлений переноса заряда в поликристаллическом кремнии при воздействии оптического излучения// Физика и техника полупроводников. – 2001. - Т.35, вып.10. - С. 1178-1183.

5. Elsevier B.V. Diamond growth on hot-filament chemically vapor-deposited diamond for surface conductive device applications , Diamond and Related Materials Volume 13, Issue 1 , January 2004, Pages 166-169

6. D.P.Jochi, D.P. Bhatt IEEE Trans. Electron . Dev . 37,237, 1990

7. Токий В.В., Тимченко В.И., Сорока В.А. Фотостимулированная электропроводность алмазных пленок// Труды Украинского вакуумного общества. - Х., 1997. - С.120-122.

8. Милнс A. Примеси с глубокими уровнями в полупроводниках: Пер.с англ. – М.: Мир, 1977. - 562с .