Влияние дефектности структуры на поляризационные процессы в слоях стеклообразной системы As-Se

Р. А. Кастро, Г. И. Грабко, Т. В. Татуревич

ВЛИЯНИЕ ДЕФЕКТНОСТИ СТРУКТУРЫ НА ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ

ПРОЦЕССЫ В СЛОЯХ СТЕКЛООБРАЗНОЙ СИСТЕМЫ As-Se*

Представлены результаты исследования поляризационных процессов, происходящих в сандвич-структурах на основе тонких пленок AsSe и As2Se3, приготовленных методами термического испарения и высокочастотного напыления. Установлено совпадение механизмов проводимости и образования заряда. Обсуждаются причины наблюдаемых явлений.

Ключевые слова: ТИ-, ВЧ-образцы, релаксация, ХСП.

R. Castro, G Grabko, T. Taturevich

THE IMPACT OF DEFECT STRUCTURE ON POLARIZATION PROPERTIES OF THE VITREOUS AS-SE SYSTEMS

Polarization properties of thin-film AsSe-based sandwich structures were investigated. AsSe and As2Se3 thin films were fabricated by thermal evaporation and radio-frequency sputtering methods. The changes in electrical conduction mechanism have been found to be correlated with the formation of electric charge. The origin of the phenomena observed in the layered structures is discussed.

Keywords: TE-, RFS-samples, relaxation, ChGS.

В последнее время для объяснения долговременной релаксации тока в постоянном электрическом поле, наблюдаемой в полупроводниках различной природы, достаточно часто привлекается модель «эстафетного» механизма переноса заряда [6]. Одним из основных положений данной теории является то, что перенос инжектированных с контакта в образец носителей заряда (НЗ) происходит не через зону проводимости, а по локальным центрам, расположенным в запрещенной зоне полупроводника. В этой ситуации наличие потенциального барьера на границе электрод—полупроводник приводит к накоплению значительного заряда в приконтактной области, влияющего на процесс переноса НЗ.

В результате этого наблюдается уменьшение тока во времени t действия прикладываемого напряжения U, гистерезис вольт-амперных характеристик и специфические особенности зависимости накопленного у электрода (анода) заряда Q от величины тока I 1/2

(Q~I , т.е. заряд пропорционален квадратному корню из величины тока в любой момент времени) и от t:

Q = UCkt/

где Ck — электрическая емкость контакта; тк — характеристическая постоянная времени:

Т = tf/v&U,

где L — толщина образца; ^з — эффективная подвижность заряда, переносимого через запрещенную зону; dk — толщина, соответствующая емкости контакта.

Так, в частности, при изучении процесса поляризации структур на основе аморфных пленок чистого и легированного Bi халькогенидного полупроводника As2Se3 [1; 3] было установлено, что в приэлектродной области исследуемых составов происходит интенсивное накопление носителей заряда. Данный слой обладает определенной емкостью и шири-

* Работа поддержана проектом № 02.740.11.0544 федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» Министерства образования и науки РФ.

ной и оказывает значительное влияние на перенос НЗ через запрещенную зону. Подобно результатам, предсказываемым теорией [6], заряд, аккумулируемый в этом слое в соответствии с формулой (1) в начале релаксационного процесса при тк < I, интенсивно увеличи-

1/2

вался, а затем при тк >> ^ выходил на насыщение. Величина Q была пропорциональна ~/ в любой момент времени, что также согласуется с выводами, сделанными в работе [6]. Помимо этого было выяснено, что характеристики приповерхностной области существенно изменяются в зависимости от способа изготовления образцов и от количества вводимой легирующей добавки.

Предлагаемая работа является продолжением исследований, начатых в этом направлении, и преследует своей целью изучение процесса релаксации тока в тонкопленочных структурах на основе халькогенидной полупроводниковой системы лб-бс; а также влияния на данный процесс отклонения от стехиометрии исходного состава и способа изготовления экспериментальных образцов и таких факторов внешнего воздействия, как температура и величина прикладываемого к образцам электрического поля.

Слои Лв28е3, лббс были изготовлены методом термического испарения в вакууме (ТИ). ТИ пленки получались испарением размельченного порошка триселенида мышьяка соответствующего состава, засыпаемого в танталовую подложку открытого типа при давлении остаточных газов ~ 1,3 • 10 Па. Помимо этого, для проведения эксперимента использовались аморфные слои Лв28е3 (ВЧ), которые изготавливались на установке ионно-плазменного высокочастотного распыления типа УРМ-3-021 на частоте электромагнитного поля 13,6 МГц, в атмосфере аргона при давлении 1,07 Па. Толщина полученных пленок была порядка 1 мкм. В сандвич-структурах Л1-Лв28е3-Л1, Л1-Лв8е-Л1 площадь перекрытия электродов составляла 14,0 мм2. Поляризация аморфных слоев осуществлялась при использовании источника постоянного напряжения (и = 0,02-1 В), что позволяло создавать поля напряженностью Е = 10 -10 В/см. Ток регистрировался с помощью электрометрического усилителя В7-30, самопишущего потенциометра ПДП-4, а также генератора сигналов специальной формы Г6-15, обеспечивающего напряжение развертки [1; 2]. Температура исследуемых образцов менялась в пределах Т = 294-344 К. Относительная погрешность эксперимента не превышала ±5%.

Практически для всех типов пленок экспериментальные зависимости /(¿), снятые как при разных и, так и при разных Т подчиняются гиперболическому закону: /=А4'п. Исключение составляют кривые изотермической токовой релаксации (ИТР) для лббс. Для этих слоев, начиная с Т~ 314 К, временная зависимость тока переходит в экспоненциальную (рис. 1).

Для анализа особенностей кривых /(¿) были определены показатели степени гиперболической зависимости тока от времени: /=А •Г" для всех типов образцов и для обоих факторов внешнего воздействия (и, Т) (табл. 1).

Из табличных данных следует, что для исходного состава (Лв28е3) исследуемой системы (лб-бс) зависимости параметра п от напряжения и от температуры у ВЧ- и ТИ-слоев имеют противоположный характер. Если для кривых ИТР с ростом Т у ТИ- пленок наблюдается увеличение п, то у ВЧ уменьшение. Для временных зависимостей тока, снятых при разных и, при росте напряжения картина диаметрально противоположная (у ТИ пленок наблюдается уменьшение п, у ВЧ — увеличение). Помимо этого, в обоих случаях максимальная величина п для ТИ-слоев в 3 = 6 раз больше. Что касается того же параметра у пленок, приготовленных с отклонением от стехиометрии исходного состава, то согласно данным таблицы 1 для полевых токовых характеристик аббс п практически не изменяется (0,253.. .0,289).

10

<

'о

101

10o

6 +

5 4 3

2

10o

—I-1-1-1-1-1—|—

101

t, c

—I-1-1-1-1-1—i—

102

Рис. 1. Зависимости I(t) для AsSe при разных температурах Т, К: 1 — 294; 2 — 304; 3 — 314; 4 — 324; 5 — 334, 6 — 344

Показатель степени п гиперболической зависимости тока от времени: I = А4~п для всех составов в зависимости от параметров внешнего воздействия: напряжения, прикладываемого к образцам и температуры

Таблица 1

1

U, В AsSe As2Se3

0,02 0,25 0,78 0,17 294 0,20 0,77 0,14

0,06 0,26 0,77 0,19 300 0,14

0,1 0,28 0,66 0,19 304 0,19 0,77 0,13

0,2 0,26 0,46 0,19 314 0,81 0,13

0,4 0,21 324 0,82 0,12

0,6 0,29 0,39 0,22 334 0,94 0,12

0,8 0,24 344 0,95 0,12

1,0 0,26 0,27 0,25

Такое поведение кривых I(t) для ТИ- и ВЧ-образцов может быть связано со специфическими особенностями спектра локализованных состояний, присущих этим составам. Согласно существующим представлениям [3], спектр локализованных состояний в ТИ-пленках содержит глубокие ловушки для электронов, что и обусловливает дырочную проводимость этих структур. В противоположность этому, в ВЧ-пленках установлен биполярный перенос носителей заряда, что может свидетельствовать об одинаковом распределении по энергиям ловушек для электронов и дырок. Помимо этого, в работах [5; 7], где изучались электрические и оптические свойства пленок As2Se3, As2S3, приготовленных способами термического испарения и высокочастотного напыления, было установлено, что наблюдаемые различия в физических свойствах исследуемых составов связаны с повышенным содержанием связей As-As в ВЧ-слоях по сравнению с ТИ-образцами.

По той же причине (увеличение гомеополярных связей Ás-Ás) у обогащенных мышьяком пленок AsSe происходит формирование новых структурных единиц и образование

еще более сложной структуры по сравнению с As2Se3. Именно этим можно объяснить отличие в особенностях релаксационных характеристик у исходных составов и составов, приготовленных с отклонением от стехиометрии (независимость параметра п от напряжения, прикладываемого к образцам, а также изменение закона спада тока со временем от гиперболического I = А-Гп к экспоненциальному: 1(^)~ехр(—/т) при возрастании температуры для кривых ИТР у AsSe).

Для более детального изучения влияния отклонения от стехиометрии исходного состава на релаксационные свойства исследуемой аморфной халькогенидной системы As-Se по температурным зависимостям проводимости а была определена энергия активации АЕа для различных стадий кинетики поляризационного тока (табл. 3). Как следует из табличных данных, для обоих составов АЕа максимальна на начальной стадии процесса релаксации. При переходе от As2Se3 к AsSe значение энергии активации увеличивается, что свидетельствует о значительной перестройке внутренней структуры данного соединения (о чем уже сообщалось выше).

Возвращаясь к анализу кривых 1(можно отметить следующее. Общей закономерностью для всех экспериментальных зависимостей является то, что до с происходит достаточно быстрый спад тока со временем, а затем этот процесс замедляется. Последнее обстоятельство, а также тот факт, что характеристическая постоянная времени Тк, вычислявшаяся по (2), которая по своему физическому смыслу представляет время зарядки при-контактной области, по крайней мере, по порядку величины (табл. 2), сравнима со значением (^~10 с), позволили сделать предположение о совпадении механизмов этих процессов. Чтобы выяснить природу наблюдаемых закономерностей, представлялось интересным сравнить по величине Тк с постоянной времени те экспериментальных сандвич-структур, вычислявшейся как время спадания начального тока в е раз.

Таблица 2

Зависимости от напряжения характеристической постоянной тк и постоянной времени те исследуемых составов

Состав AsSe As2Seз

и, В Тк, с Те, С Тк, С Те, С Тк, с Те, С

0,02 49,94 3,02 3,6 26,06 22

0,06 50,8 48 3,2 3,645 24,96 18

0,1 45,9 33,35 4,06 4,59 26,37 24,49

0,2 25,32 31,5 7,25 9,565 27,69 30

0,4 27,64 29

0,6 24,52 31 15,89 13,35 25,07 27,5

0,8 27,69 24

1,0 20,6 30 26,32 39,16 21,75 17,5

Анализ данных табл. 2, где представлены полевые зависимости Тк, те для всех составов, и рис. 2, где изображены кривые Тк(Ц) и те(Ц) для As2Se3 (ТИ), позволяет сделать вывод о совпадении значений (по крайней мере, качественном) этих постоянных. А так как Тк характеризует процесс образования заряда в приконтактной области, а те — перенос НЗ через запрещенную зону по локальным центрам, то совпадение значений этих величин является свидетельством того, что механизмы образования заряда и проводимости имеют

одну и ту же природу. Данный вывод аналогичен результатам, полученным в работе [6], где также с помощью «эстафетного» механизма переноса заряда изучались релаксационные явления в монокристаллах TlGa0.99Fe0.01Se2 и было установлено совпадение механизмов образования заряда и проводимости.

37,5-

X

о

30,0-

22,5-

15,0-

7,5

0,0

X

-1-1-1—

0,0 0,2

X

о4

1,0

1,2

и, В

2

1

Рис. 2. Зависимости тЩ) — 1, т^Щ) — 2

Таблица 3

Кинетика энергии активации для термически напыленных пленок Аз28е3 и Аз8е.

c ДЕа, эВ

As2Se3 AsSe

1 0,50 0,66

2,5 0,47 0,68

5 0,43 0,7

10 0,43 0,72

20 0,43 0,73

30 0,36 0,70

40 0,31 0,69

50 0,34 0,66

60 0,33 0,64

70 0,31 0,62

80 0,33 0,60

90 0,33 0,58

100 0,341 0,56

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы. В изученных тонкопленочных сандвич-структурах на основе аморфной полупроводниковой

системы As-Se происходят интенсивные поляризационные процессы, сопровождающиеся накоплением значительного заряда в приконтактных областях и характеризующиеся замедлением кинетики переноса НЗ с течением времени. Значения энергии активации максимальны на начальном этапе релаксационного процесса. Установлено совпадение механизмов проводимости и образования заряда. Отклонение от стехиометрии исходного состава и выбор метода изготовления экспериментальных образцов оказывает существенное влияние на изучаемые процессы, что обусловлено значительными изменениями внутренней структуры исследуемых соединений.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кастро Р. А., Бордовский В. А., Грабко Г. И. Исследование процессов переноса и накопления заряда в аморфных слоях As2Se3, полученных разными методами // Физ. и хим. стекла. 2009. Т. 35. № 1. С. 54-57.

2. Кастро Р. А., Грабко Г. И. Релаксационные явления в слоях (As^e^œ^Bix // Физ. и хим. стекла. 2010. Т. 36. № 5. С. 711-716.

3. Микла В. И., Семак Д. Г., Михалько И. П. Нестационарная фотопроводимость слоев стекол из системы As-Se // Изв. вузов. Сер. физ. 1977. № 5. С. 66-71.

4. Мустафаева С. Н., Гасанов А. И. Релаксационные явления в монокристаллах TlGa0 99Fe0 0iSe2 // ФТТ. 2004. Т. 46. № 11. С. 1937-1941.

5. Сарсембинов Ш. Ш., Приходько О. Ю., Рягузов А. П., Максимова С. Я., Ушанов В. Ж. // Сб. трудов IV Междунар. конф. «Аморфные и микрокристаллические полупроводники-AMS 4». СПб., 2004. С. 209.

6. Тимман Б. Л. Эстафетный механизм переноса заряда в системе металл—диэлектрик—металл при инжекции носителей // ФТП. 1973. Т. 7. № 2. С. 225-229 .

7. Sarsembinov Sh. Sh., Prikhodko O. Yu., Ryaguzov A. P., Maksimova S. Ya., Ushanov V Zh. Local structure and electronic properties of amorphous AS2S3 films prepared by different methods // Semicond. Sci. Tech-nol. 2004. V. 19. №7. Р. 787-791.

REFERENSES

1. Kastro R. A., Bordovskij V A., Grabko G. I. Issledovanie processov perenosa i nakoplenija zarjada v amorfnyh slojah As2Se3, poluchennyh raznymi metodami // Fiz. i him. stekla. 2009. T. 35. № 1. S. 54-57.

2. Kastro R. A., Grabko G. I. Relaksacionnye javlenija v slojah (As2Se3)100-hBix // Fiz. i him. stekla. 2010. T. 36. № 5. S. 711-716.

3. Mikla V I., Semak D. G., Mihal'ko I. P. Nestacionarnaja fotoprovodimost' sloev stekol iz sistemy AsSe // Izv. vuzov. Ser. fiz. 1977. № 5. S. 66-71.

4. Mustafaeva S. N., Gasanov A. I. Relaksacionnye javlenija v monokristallah TlGa0.99Fe0.01Se2 // FTT. 2004. T. 46. № 11. S. 1937-1941.

5. Sarsembinov Sh. Sh., Prihod'ko O. Ju., Rjaguzov A. P., Maksimova S.Ja., Ushanov V.Zh. // Sb. trudov IV Mezhdunar. konf. «Amorfnye i mikrokristallicheskie poluprovodniki-AMS 4». SPb., 2004. S. 209.

6. Timman B. L. Estafetnyj mehanizm perenosa zarjada v sisteme metall—dijelektrik—metall pri inzhekcii nositelej // FTP. 1973. T. 7. № 2. S. 225-229 .

7. Sarsembinov Sh. Sh., Prikhodko O. Yu., Ryaguzov A. P., Maksimova S. Ya., Ushanov V. Zh. Local structure and electronic properties of amorphous AS2S3 films prepared by different methods // Semicond. Sci. Technol. 2004. V. 19. №7. P. 787-791.