Transport properties of semiconductor nanostructures

Abstract

Poluvodičke nanostrukture su u znanstvenoj zajednici vrlo aktivno područje istraživanja jer omogućuju dizajn materijala s točno određenim električnim svojstvima i kao takve imaju veliku mogućnost primjene kao novi poluvodički elementi, senzori, fotovoltaici i sl. Unatoč višegodišnjim istraživanjima i velikom broju objavljenih znanstvenih radova i dalje je veliki izazov kako napouzdan i ekonomičan način proizvesti nanostrukture točno određenih dimenzija i s malim brojem defekata. U ovom doktoratu proučavana je upotreba tehnike magnetronskog rasprašenja kao jednog od mogućih načina proizvodnje poluvodičkih nanostruktura Si i Ge u različitim okolinama SiO_2(oksida), Si_3N_4 (nitrida) i SiC (karbida). Pronađeno je da temperaturni tretman na 700°C za Gei temperaturni tretman na 1050°C za Si u trajanju od 1h u atmosferi N_2 predstavlja idealni uvjet za stvaranje nanokristaliničnog materijala u oksidnoj matrici. Tehnikom rendgenske difrakcije pokazana je kristaliničnost proizvedenog nano materijala, a fotoluminiscencijom pokazan je uhvat fotona u nanočestici pojavom luminiscencije u vidljivom dijelu spektra. Proučavanje električnih transportnih svojstava napravljeno je korištenjem MOS strukture u kojoj se sloj s poluvodičkim nanomaterijalom nalazio u oksidnoj, nitridnoj i karbidnoj matrici. MOS struktura u smislu defekata na površini između podloge i matrica pokazala je dobru kvalitetu napravljenih uzoraka sa srednjom gustoćom stanja defekata D_it ~ 10^12cm^-2eV^-1 ili manje. Kapacitivno naponskim mjerenjima nađeno je da nanostrukture djeluju kao mjesta uhvata nosioca naboja i uhvat naboja najizraženiji je za uzorak s nanočesticama Ge promjera 2.5 nm u višeslojnoj oksidnoj matrici. Najdominatniji način vođenja struje kroz matricu s nanočesticama u propusno polariziranoj MOS strukturi je pri većim naponima prostornim nabojem ograničena struja (SCLC), a primanjim naponima je ohmski tip vodljivosti. U nepropusnoj polarizaciji MOS strukture za deblje uzorke dominantni način vodljivosti je ohmskog tipa, a za tanje uzorke dominantan način vodljivosti je SCLC tipa bez obzira za naponsko područje. U prisutnosti svjetlosne pobude očekivano konačna struja kroz MOS strukturu raste i u smislu karaktera vodljivosti nema promjene u odnosnu na mjerenja u tami, osim što se za neke uzorke promijenila raspodjela gustoće stanja defekata. U smislu upotrebe poluvodičkih nanostruktura kao fotovoltaika uzorak u kojem su bile nanočestice Si u SiO_2 pokazao je postojanje napona otvorenog kruga pri pobudi svjetlom.In the scientific community semiconductor nano structures are very active field of research because of the possibility to design materials with specifc electrical properties. Such structures have a great potential for the use as new semiconductor devices, sensors, photovoltaics etc. Despite many years of active research and many published papers it is still a big challenge to produce nano structures in a reliable and economical manner with exact size and small number of defects. In this doctoral thesis we applied magnetron sputtering technique to produce semiconductor nano structures of Si and Ge in different environments of SiO2, Si3N4 and SiC. It was found that the temperature annealing process at 1050°C for Si and 700°C for Ge during 1h in the atmosphere of N2 is ideal for creating the nano crystalline Si and Ge. X-ray diffraction reveals the crystallinity of produced nano material and with the luminescence in the visible range the capture of photons in nano crystals is demostrated. The electrical transport properties are studied using MOS structures in which the oxide layer is made with the semiconductor nano material of Si and Ge. The interface defect density of MOS structures shows, a quality of samples with D_it ~ 10^12cm^-2eV^-1. The charge capture in nano crystals is shown with capacitive techniques and is most pronounced for a samples with nano crystals of Ge size of 2.5 nm embedded in multilayer oxide structure. The most dominant way of current transfer through matrix with nano crystals when MOS structure is forward polarised is the space charge limited current (SCLC) for high voltages and the ohmic current for low voltages. For thicker samples the ohmic current is dominant way of charge transfer and for thinner samples the SCLC current is the dominant way of charge transfer in any voltage regime. Measurement under light excitation showed us that the current is getting bigger and the type of conductivity didn't change except for some samples in which the change of density of defect states was noticed. The samples with nano-structure of Si in SiO2 showed the photovoltaic effect after excitation by light source which is interesting for using nano-structures for photovoltaic applications