Características I-V-T de Diodos a Base de Silicio Poroso con

Revista Colombiana de Física, vol. 40, No. 2, Julio 2008
Características I-V-T de Diodos a Base de Silicio Poroso con Propiedades Fotovoltaicas
M. Campo1, A. Blaschke1, W. Rivera2
1
Secretaría de Educación del Cauca. Popayán.
Departamento de Física. Universidad del Cauca.
2
Recibido 22 de Oct. 2007; Aceptado 16 de Jun. 2008; Publicado en línea 25 de Jul. 2008.
Resumen
En este trabajo se presenta la caracterización corriente – voltaje en un rango de temperatura de 197K a 298K
de dispositivos electrónicos fabricados con silicio poroso (PS). Las heterouniones Ag-Au-PS-Si(p), presentan
propiedades fotovoltaicas y tienen un comportamiento rectificante. Las medidas I-V-T realizadas bajo régimen de oscuridad permiten determinar las alturas de barrera y los factores de idealidad de los dispositivos.
Los dispositivos con capa interfacial de PS tienen la conducta conocida como el efecto T0 para una unión
Schottky el cual puede estar asociado a inhomogeneidades de la altura de la barrera o al hecho de que la corriente está dominada por el mecanismo de emisión de campo asistida térmicamente (TFE).
Palabras claves: dispositivos electrónicos, heterouniones, silicio poroso, barrera Schottky.
Abstract
This paper presents the current – voltage characterization in a temperature range between 197K and 298K of
electronic devices fabricated with porous silicon. Ag-Au-PS-Si(p) heterojunctions present photovoltaic properties and have a rectifying behavior. I-V-T measurements under obscurity regime allow us to determine the
barrier heights and the ideality factors of the devices. The devices with an interfacial layer of PS have the behavior known as the T0 effect for a Schottky junction which may be associated to the inhomogeneity of the
barrier height or to the fact that the current is dominated by the mechanism of thermionic-field emission
(TFE).
Keywords: electronic devices, heterojunctions, porous silicon, Schottky barrier.
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1. Introducción
En el pasado reciente se reportó la fabricación de dispositivos electrónicos con propiedades fotovoltaicas usando una
capa interfacial de silicio poroso [1]. Aunque se registran
múltiples artículos sobre el tema, hasta la presente no se
tiene una explicación completa y satisfactoria sobre los
procesos que ocurren en las interfaces de estas heterouniones con silicio poroso [2,3]. El comportamiento de la co-
rriente en función del voltaje ayuda a comprender los procesos de transporte de los portadores de carga y es determinante en el tipo de aplicación de los dispositivos. La corriente en los dispositivos electrónicos puede estar dominada tanto por portadores mayoritarios, como en el caso de
una unión Schottky cuasi-ideal, o por portadores minoritarios, cuando se comportan como una unión p-n. Pero en
general, en los dispositivos metal – aislante – semiconductor (MIS) el efecto de la capa interfacial es muy fuerte por
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la acción simultánea de la recombinación de portadores que
se presenta en ella y por el alto valor que puede presentar la
resistencia en serie asociada con la misma capa. En este
trabajo se reportan las curvas características de corriente
voltaje a diferentes temperaturas (I-V-T) de dos tipos de
dispositivos con estructuras del tipo Ag-Si(p) y Ag-Au-PSSi(p). Mientras la primera estructura muestra una conducta
donde prevalece la emisión termoiónica como está previsto
que ocurra en una barrera Schottky ideal, en la segunda se
observa una conducta inusual, como consecuencia de la
capa interfacial de silicio poroso, que produce una dependencia de la corriente que resulta directamente proporcional
al cuadrado del valor del voltaje para polarizaciones por
encima de 0.6 V.
para sobrepasar la barrera, y se presenta así un incremento
en el valor de la corriente.
En la figura 2a) se observa que el dispositivo con estructura
Ag-Au-PS-Si(p), en el régimen de polarización directa a
bajos valores de voltaje presenta un comportamiento exponencial de la corriente en función del voltaje para las diferentes temperaturas. La corriente de saturación I0 de estos
dispositivos presenta valores altos, entre 2×10–6 A y 3×10–3
A, crecientes con el aumento de temperatura. La conducta
exponencial de los dispositivos se modifica cuando se incrementa
1E-3
294 K
286 K
278 K
270 K
251 K
241 K
1E-4
1E-5
1E-6
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
Voltaje (V)
Fig. 1. Características I-V-T, en el rango de 2410K a 2940K, del
dispositivo Ag-Si(p).
a)
1
0.1
Corriente (A)
Se fabricaron dos tipos de dispositivos electrónicos utilizando como material base obleas de 2 cm2, de silicio cristalino tipo p (Si(p)) de orientación (100) y con una resistividad nominal de 1 a 10 Ω⋅cm. Las estructuras constituidas
por una capa de plata depositada sobre la oblea de silicio se
denotan como Ag-Si(p), y las constituidas por una bicapa de
plata-oro depositada sobre una capa de silicio poroso formado por oxidación anódica del sustrato de silicio se denotan como Ag-Au-PS-Si(p). Las películas metálicas se depositaron por evaporación en un sistema de alto vacío tipo
Balserz BAE250T. La evaporación se realizó por efecto
Joule, luego que el sistema alcanza un nivel de vacío de 10-5
mbar, mediante la aplicación de una corriente entre 2.8A y
3A a una cazuela de molibdeno que contiene el metal a
evaporar. Para la formación del Silicio Poroso se empleó el
método de oxidación anódica en una solución de ácido
fluorhídrico [4]. Para formar los contactos óhmicos de los
dispositivos se utilizó indio y plata, al 99.99% de pureza.
La caracterización I – V – T se realizó con un potenciostato
EG&G instruments model 283 con comunicación GPIB,
que controla el potencial eléctrico entre los electrodos.
Corriente (A)
2. Experimental
0.01
298 K
276 K
269 K
242 K
229 K
217 K
207 K
197 K
-3
3 * 10
1E-3
1E-4
1E-5
-6
2 * 10
1E-6
0.0
0.2
0.4
0.6
3. Resultados y Análisis
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
Voltaje (V)
b) 4
298 K
Corriente (mA)
Las características I-V-T del dispositivo Ag-Si(p), de acuerdo con la figura 1, presentan valores de corriente de saturación I0 del orden de 10-6 A, los cuales son entre cinco y seis
ordenes de magnitud más altos que los valores típicos que
se registran en los diodos Schottky comerciales. Esto indica
que la corriente de saturación del dispositivo Ag-Si(p) está
determinada por mecanismos de recombinación y efecto
túnel en la barrera que se forma de manera espontánea entre
la capa de metal y el sustrato de silicio [5]. Si bien los valores de I0 son muy altos y resultan independientes de la temperatura, la conducta de la corriente sí se ajusta a un comportamiento de emisión termoiónica como está previsto que
ocurra en una barrera Schottky ideal, puesto que al aumentar la temperatura los electrones adquieren mayor energía
2
197 K
0
0.6
1.2
1.8
2
2
Voltaje (V )
Fig. 2. a). Características I-V-T de la estructura Ag-Au-PS-Si(p)
en el rango de 1970K a 2980K. b). Conducta I vs V2 del mismo
dispositivo con valores de polarización por encima de 0.6 V.
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M. Campo et al.: Características I-V-T de Diodos a Base de Silicio Poroso con Propiedades Fotovoltaicas
1,7
1,6
1,5
Altura de Barrera (eV)
1,4
Factor de Idealidad
el voltaje aproximadamente a partir de 0.6 V, sin alcanzar el
valor de saturación en el rango de polarización aplicada que
llega a 1.5 V. Como se aprecia en la figura 2b) con estos
valores de polarización, y de manera más notable a temperaturas bajas, la corriente es directamente proporcional al
cuadrado del valor del voltaje, de modo que se puede representar por una expresión de la forma: I = I0 + α V2, donde
α representa un valor de proporcionalidad entre la corriente
y el voltaje.
Las características I-V que presenta el dispositivo electrónico con estructura Ag-Au-PS-Si(p) resultan similares a las
que aparecen reportadas sobre estructuras p-i-n y m-i-m, con
capas intermedias de material amorfo [6]. Esta dependencia
cuadrática de la corriente con el voltaje, puede corresponder
al efecto del llenado de trampas poco profundas o al que se
presenta en ausencia de trampas disponibles [7], cuando el
mecanismo de conducción de la corriente es limitado por la
región de carga espacial [8,9], como consecuencia de la
inyección de portadores hacia el aislante, donde no existe
carga compensada. Sin embargo, existe la posibilidad de
que la dependencia cuadrática de la corriente con el voltaje
se deba a un novedoso mecanismo de transporte, aún no
explicado, relacionado con el contenido de la capa amorfa
de silicio poroso en la estructura.
Aunque, a bajos niveles de corriente los dos dispositivos
estudiados presentan una relación exponencial dependiente
de la temperatura, el cambio de las características I-V en
función de la temperatura es mas débil para la estructura
Ag-Au-PS-Si(p). Para la muestra sin silicio poroso la dependencia exponencial a bajos niveles de polarización está
dada en un rango muy estrecho de 0 V a 0.05 V, mientras
que para la muestra con capa interfacial de silicio poroso la
dependencia exponencial comprende el rango de 0 V a 0.2
V.
Como las características I-V-T de los dispositivos presentan
un comportamiento exponencial a bajos niveles de corriente, que se puede ajustar al descrito por la teoría de emisión
termoiónica, es posible estimar los valores de la altura de la
barrera aparente φb y del factor de idealidad η por medio de
las graficas de LnI en función del voltaje en el régimen de
polarización directa en la región de bajos voltajes. Se asume
que la constante efectiva de Richardson, para el silicio tipo
p, tiene un valor de 32 A/cm2K2. En la figura 3 se observa
que para el dispositivo Ag-Au-PS-Si(p) el factor de idealidad aumenta desde 1.2 hasta 1.4 y la altura de la barrera
decrece desde 0.58 eV hasta 0.46 eV cuando la temperatura
disminuye de 269 K a 197 K. Esta conducta para una unión
Schottky, corresponde al denominado efecto T0 descrito por
Horváth [10], el cual puede estar asociado con la inhomogeneidad de la altura de la barrera o con el hecho de que la
corriente está dominada por el mecanismo de emisión de
campo asistida térmicamente (TFE) en lugar del mecanismo
ordinario de emisión termoiónica (TE).
1,3
1,2
η
φb
1,1
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
180
200
220
240
260
280
300
Temperatura (K)
Fig. 3. El factor de idealidad (η) y la altura de barrera aparente (φb)
calculados a partir de las características LnI-V para el dispositivo
Ag-Au-PS-Si(p).
Esta conducta para una unión Schottky, corresponde al
denominado efecto T0 descrito por Horváth [10], el cual
puede estar asociado con la inhomogeneidad de la altura de
la barrera o con el hecho de que la corriente está dominada
por el mecanismo de emisión de campo asistida térmicamente (TFE) en lugar del mecanismo ordinario de emisión
termoiónica (TE). El mecanismo TFE puede estar relacionado con la falta de homogeneidad de la unión que da lugar
a magnificaciones locales del campo eléctrico. Este comportamiento eléctrico contrasta con el del dispositivo Si(p)-Ag
tanto en los valores del factor de idealidad como en los
cambios de la altura de barrera en función de la temperatura. Para el dispositivo Si(p)-Ag se registran factores de
idealidad menores que 1, y los cambios de la altura de barrera no siguen la misma conducta asociada con el efecto
T0, que presentan las estructuras Ag-Au-PS-Si(p).
Conclusiones
Los correspondientes incrementos en el factor de idealidad
y disminución en los valores de altura de barrera aparente
para los dispositivos Ag-Au-PS-Si(p), corresponden al denominado efecto T0, el cual puede estar asociado con la no
homogeneidad en la altura de la barrera o con el hecho de
que la corriente está dominada por el mecanismo de emisión
de campo asistida térmicamente (TFE) en lugar del mecanismo de emisión termoiónica (TE). Las diferencias de
comportamiento electrónico descritas se deben a las características especiales que presenta la capa interfacial de silicio poroso.
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Referencias
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