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. © 2008 Revista Colombiana de Física. Todos los derechos reservados. 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 430 rev. col. fís., vol. 40, No. 2, (2008) 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. 431 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. 432 rev. col. fís., vol. 40, No. 2, (2008) Referencias [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] Idrobo L.F., Perez W., Racedo F., Bolaños G., Rivera W, Rev. Colombiana de Física 37 (1), 191-194 (2005). A.V. Brodovoi, V.A. Brodovoi, V.A. Skryshevskyi, S.G. Bunchuk, and L.M. Khnorozok, Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics 5 (4), 395-397 (2002). O.V. Vakulenko, and S.V. 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