Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные представления о гетероструктурах на основе аморфных полупроводников 14
1.1. Приборы на основе аморфных полупроводников 14
1.1.1. Тонкопленочный полевой транзистор 16
1.1.2. Высоковольтный тонкопленочный полевой транзистор 17
1.1.3. Датчики изображения 18
1.1.4. Солнечные батареи 18
1.1.5. Фотодетектор на основе a-Si:H и его сплавов 20
1.2. Энергетические диаграммы гетероструктур на основе кристаллических и аморфных полупроводников 21
1.2.1. Модель энергетической диаграммы гетероструктуры на основе кристаллических полупроводников 21
1.2.2. Особенности зонной диаграммы гетероструктур на основе аморфных полупроводников 23
1.2.2.1. Модели энергетических состояний в неупорядоченных полупроводниках 24
1.2.2.2. Модель энергетической диаграммы гетероструктуры аморфный/кристаллический полупроводник 25
1.3. Механизмы токопереноса в гетероструктурах на основе кристаллических и аморфных полупроводников 28
1.3.1. Диффузионная модель 29
1.3.2. Модель термической эмиссии 30
1.3.3. Модели, описывающие механизм переноса носителей заряда с помощью туннелирования 32
1.3.3.1. Простейшие модели туннелирования 32
1.3.3.2. Модель многоступенчатого туннелирования с захватом и эмиссией носителей на ловушках 35
1.3.4. Ток, обусловленный генерацией и рекомбинацией носителей в обедненном слое 36
1.3.5. Ток, ограниченный объемным зарядом (ТООЗ) 37
1.3.6. Эквивалентная электрическая схема гетероструктуры a-Si:H(n-ran)/c-Si 40
1.4. Выводы по главе 1 42
Глава 2. Технология получения и методики измерений электрофизических и оптоэлектронных свойств тонких пленок и гетероструктур на основе аморфных полупроводников 44
2.1. Технологии получения полупроводниковых аморфных пленок 44
2.2. Методы исследования электрофизических и оптоэлектронных
свойств гетероструктур аморфный/кристаллический полупроводник 48
2.2.1. Измерение температурных зависимостей вольт-амперных характеристик гетероструктур на основе a-Si:H и его сплавов 48
2.2.2. Измерение спектральных зависимостей вольт-амперных характеристик гетероструктур на основе a-Si:H и его сплавов 49
2.3. Методы исследования состава и структуры пленок a-Si:H и
сплавов на его основе 50
2.3.1. Рентгеновский микрозондовый анализ 50
2.3.2. Спектроскопия обратного рассеяния Резерфорда 51
2.3.3. Вторичная ионная масс-спектроскопия (ВИМС) 52
2.3.4. ИК - спектроскопия 53
2.3.5. Электронный парамагнитный резонанс 56
2.4. Методы исследования оптических и электрофизических свойств пленок гидрогенезированного аморфного кремния и сплавов на его основе 57
2.4.1. Определение положения уровня Ферми в a-Si:H и его
сплавах 57
2.4.2. Определение оптической ширины запрещенной зоны пленок a-Si:H и его сплавов по спектрам оптического пропускания 58
2.5. Методы определения энергетического распределения плотности состояний в щели по подвижности аморфного полупроводника 59
2.5.1. Методика моделирования температурной зависимости фотопроводимости 59
поглощения, измеренной по методу постоянного фототока 61
2.5.3. Моделирование вольт-фарадных характеристик гетероструктур на основе a-Si:H и его сплавов 63
2.6. Выводы по главе 2 65
Глава 3. Исследование свойств гетероструктур на основе аморфного гидрогенизированного кремния и его сплавов 67
3.1. Гетероструктуры a-Si:H/c-Si 67
3.1.1. Температурные зависимости В АХ гетероструктур a-Si:H/c-Si 68
3.1.1.1. Прямые ветви ВАХ 68
3.1.1.2. Обратные ветви ВАХ 72
3.1.2. Спектральные характеристики гетероструктур a-Si:H/c-Si 75
3.2. Гетероструктуры a-Si:H(n-THn)/c-Si 78
3.2.1. Прямые ветви ВАХ 78
3.2.2. Обратные ветви ВАХ 82
3.3. Гетероструктуры a-SiC:H/c-Si 84
3.3.1. ВАХ гетероструктур a-SiC:H/c-Si 85
3.3.1.1. Область прямых смещений 85
3.3.1.2. Область обратных смещений 89
3.3.2. Спектральные характеристики гетероструктур a-SiC:H/c-Si 93
3.4. Гетероструктуры a-SiGe:H/c-Si 95
3.4.1. ВАХ гетероструктур a-SiGe:H/c-Si 95
3.4.1.1. Область прямых смещений 96
3.4.1.2. Обратные ветви ВАХ 99
3.4.2. Спектральные характеристики гетероструктур a-SiGe:H/c-Si 103
3.5. Выводы по главе 3 105
Глава 4. Исследование свойств пленок a-Si:H и его сплавов 108
4.1. Свойства пленок a-Si:H 108
4.1.1. Анализ микроструктуры пленок a-Si:H по данным ИК-спектроскопии 108
4.1.2. Оптические и электрофизические свойства a-Si:H 109
4.1.3. Плотность состояний в a-Si:H и на границе раздела гетероструктуры a-Si:H/c-Si 112
4.2. Свойства пленок a-Si:H (п-тип) 115
4.2.1. Химический состав пленок a-Si:H (п-тип) 115
4.2.2. Анализ микроструктуры пленок a-Si:H(n-THn) с помощью ИК спектроскопии 116
4.2.3. Оптические и электрофизические свойства пленок а-ЭШп-типа 118
4.3. Свойства пленок a-SiC:H 120
4.3.1. Химический состав пленок а-SiC.H 121
4.3.2. Микроструктура тонких пленок сплава a-SiC:H 122
4.3.3. Оптические и электрофизические свойства a-SiC:H 123
4.3.4. Плотность состояний в a-SiC:H и на границе раздела
гетероструктур a-SiC:H/c-Si 126
4.4. Свойства пленок a-SiGe:H 128
4.4.1. Состав пленок a-SiGe:H 128
4.4.2. Микроструктура тонких пленок a-SiGe:H 129
4.4.3. Оптические и электрофизические свойства a-SiGe:H 131
4.4.4. Плотность состояний в щели по подвижности a-SiGe:H и на границе раздела гетероструктуры a-SiGe:H/c-Si 133
4.5. Выводы по главе 4 136
Глава 5. Природа энергитических состояний и особенности токопереноса в гетероструктурах на основе a-Si:H и его сплавов 140
5.1. Природа энергетических состояний и особенности токопереноса в гетероструктурах a-Si:H/c-Si 140
5.1.1. Моделирование температурных зависимостей В АХ и особенности токопереноса при прямых смещениях для гетероструктур a-Si:H/c-Si 140
5.1.2. Моделирование температурных зависимостей В АХ и особенности токопереноса при обратных смещениях для гетероструктур a-Si:H/c-Si 150
5.2. Природа энергетических состояний и особенности токопереноса в гетероструктурах a-Si:H(n-THn)/c-Si 158
5.2.1. Моделирование температурных зависимостей и особенности токопереноса при прямых смещениях в гетероструктурах a-Si:H(n-ran)/c-Si 159
5.2.2. Моделирование температурных зависимостей и особенности токопереноса при обратных смещениях для гетероструктур a-Si:H(n-ran)/c-Si 166
5.3. Природа энергетических состояний и особенности токопереноса в гетероструктурах a-SiC:H/c-Si 175
5.3.1. Моделирование температурных зависимостей и особенности токопереноса при прямых смещениях в гетероструктурах a-SiC:H/c-Si... 175
5.3.2. Моделирование температурных зависимостей и особенности токопереноса при обратных смещениях в гетероструктурах a-SiC:H/c-Si.. 182
5.4. Природа энергетических состояний и особенности токопереноса в гетероструктурах a-SiGe:H/c-Si 188
5.4.1. Моделирование температурных зависимостей и особенности токопереноса при прямых смещениях в гетероструктурах a-SiGe:H/c-Si... 188
5.4.2. Моделирование температурных зависимостей и особенности токопереноса при обратных смещениях в гетероструктурах a-SiGe:H/c-Si 194
5.5. Выводы по главе 5 200
Основные результаты и выводы 205
Литература
- Энергетические диаграммы гетероструктур на основе кристаллических и аморфных полупроводников
- Измерение температурных зависимостей вольт-амперных характеристик гетероструктур на основе a-Si:H и его сплавов
- Температурные зависимости В АХ гетероструктур a-Si:H/c-Si
- Оптические и электрофизические свойства a-Si:H
Введение к работе
В настоящее время неупорядоченные полупроводники, в частности, аморфный гидрогенизированный кремний (a-Si:H) и сплавы на его основе находят широкое применение в технологии твердотельной электроники. Связано это, прежде всего, с уникальной совокупностью свойств этих материалов, изменяемых в широких пределах за счет варьирования технологических режимов осаждения, и возможности осаждения a-Si:H и его сплавов практически на любую поверхность площадью до 10 см .
Поскольку технология формирования a-Si:H хорошо совместима с обычной кремниевой технологией производства интегральных схем, это явилось предпосылкой для создания приборов и устройств, совмещающих в себе аморфную и кристаллическую форму кремния. На сегодняшний день это, прежде всего, гетеропереходные биполярные транзисторы и пространственные активные матрицы на основе тонкопленочных полевых транзисторов для устройств ввода и вывода графической и видео информации, элементы солнечных батареи, датчики у-излучения, фотодатчики и мишени видиконов в трубках изображения.
Применение гетероструктур аморфный/кристаллический кремний (a-Si:H/c-Si) позволяет совместить высокую эффективность c-Si с низкой стоимостью получения a-Si:H. Однако практическая реализация приборов на их основе затруднена из-за того, что существует широкий набор параметров, чувствительных к технологии получения пленок a-Si:H (ширина щели подвижности, плотность состояний дефектов, изменение концентрации водорода и т.д.) и отсутствуют ясные представления о закономерностях формирования гетероструктур аморфный/кристаллический полупроводник.
Поскольку характеристики гетероструктур аморфный/кристаллический
полупроводник во многом определяются особенностями переноса носителей в
них, изучение механизмов токопереноса в подобных гетероструктурах является
важной научно-практической задачей. Ее решение способствует оптимизации
технологии получения гетероструктур аморфный/кристаллический
полупроводник и позволяет выявить закономерности формирования подобных
гетероструктур. Кроме того, гетероструктуры аморфный/кристаллический полупроводник могут служить модельным объектом, изучение свойств которого будет способствовать выявлению закономерностей формирования более сложных для понимания гетероструктур аморфный/аморфный полупроводник. Таким образом, изучение особенностей механизмов переноса носителей заряда в гетероструктурах аморфны/кристаллический полупроводник является актуальной задачей твердотельной электроники.
Целью данной диссертационной работы являлось изучение механизмов переноса носителей заряда в гетероструктурах аморфный/кристаллический полупроводник, выявление взаимосвязи между технологическими параметрами получения аморфных полупроводников и электрофизическими свойствами гетероструктур a-Si:H/c-Si, a-Si:H(n-ran)/c-Si, a-SiC:H/c-Si и a-SiGe:H/c-Si, и определение оптимальных технологических параметров для получения гетероструктур приборного качества.
Научная новизна
Впервые исследованы прямые и обратные ветви В АХ гетероструктур a-Si:H/c-Si, a-Si:H(n-THn)/c-Si, a-SiC:H/c-Si и a-SiGe:H/c-Si в широком диапазоне смещений (от 0 до 15 В, для прямых ветвей и от 0 до -15 В для обратных ветвей ВАХ) и температур (от комнатной до 250 С), сформированных по высокоскоростной технологии роста пленок a-Si:H и сплавов на его основе методом НЧ ПХО.
Показана взаимосвязь между особенностями переноса носителей заряда в гетероструктурах a-Si:H/c-Si, a-Si:H(n-THn)/c-Si, a-SiC:H/c-Si и a-SiGe:H/c-Si при прямых и обратных смещениях и электрофизическими свойствами аморфных пленок a-Si:H, а-Бі.Щп-тип), a-SiC:H и a-SiGe:H. Установлено, что токи утечки через гетеропереход при малых прямых смещениях контролируются состояниями на границе раздела гетероструктур a-Si:H/c-Si, a-SiC:H/c-Si и a-SiGe:H/c-Si, расположенными вблизи уровня Ферми аморфного полупроводника, которые для a-Si:H и a-SiC:H обусловлены оборванными связями кремния, а для a-SiGe:H оборванными связями германия.
3) При малых прямых смещениях токоперенос в гетероструктурах
a-SiGe:H/c-Si осуществляется за счет многоступенчатого туннелирования дырок
из c-Si р-типа в a-SiGe:H до уровня дефектов, обусловленного оборванными связями Ge, где происходит их эмиссия в валентную зону аморфного сплава. При больших прямых смещениях ток ограничен пространственным зарядом, а его рост обеспечивается за счет термической активации захваченных электронов с уровней ловушек в верхней половине щели, обусловленных оборванными связями Si.
4) Установлено, что процессы генерации и рекомбинации, контролирующие
перенос носителей заряда при высоких обратных смещениях в гетероструктурах
a-Si:H/c-Si, a-Si:H(n-THn)/c-Si, a-SiC:H/c-Si и a-SiGe:H/c-Si происходят в
обедненной области аморфного полупроводника.
5) Исследованы спектральные характеристики гетероструктур a-Si:H/c-Si,
a-SiC:H/c-Si и a-SiGe:H/c-Si. Анализ квантовой эффективности
фотопреобразования гетероструктур a-Si:H/c-Si, a-SiC:H/c-Si и a-SiGe:H/c-Si
показал, что изучаемые гетероструктуры имеют высоко качественную границу
раздела. Показано, что пик фоточувствительности гетероструктур a-SiGe:H/c-Si
можно сдвигать в ИК область за счет уменьшения ширины запрещенной зоны
сплава a-SiGe:H.
Практическая значимость
1) Разработаны стенды для измерения температурных и спектральных
зависимостей ВАХ, которые позволяют проводить измерения в широком
диапазоне температур с высокой точностью: ошибка в измерении тока не
превышает 2,5%, а напряжения - 2%.
2) Предложены эквивалентные электрические схемы гетероструктур
a-Si:H/c-Si, a-Si:H(n-THn)/c-Si, a-SiC:H/c-Si и a-SiGe:H/c-Si как для прямых, так и
для обратных смещений, которые позволяют описать вольт-амперную
характеристику в широком диапазоне смещений и температур измерения.
Моделирование ВАХ изучаемых гетероструктур с помощью предоженных
эквивалентных электрических схем позволило с высокой точностью определить
параметры переноса носителей заряда и выявить закономерности формирования
подобных гетероструктур. Полученные таким образом результаты позволяют
прогнозировать характеристики приборов на основе гетероструктур аморфный/кристаллический полупроводник.
3) Комплексный анализ электрофизических и оптоэлектронных свойств
пленок a-Si:H, a-Si:H(n-Tnn), a-SiC:H и a-SiGe:H и результатов моделирования
ВАХ гетероструктур a-Si:H/c-Si, a-Si:H(n-THn)/c-Si, a-SiC:H/c-Si и a-SiGe:H/c-Si с
использованием разработанной методики моделирования ВАХ, в основе которой
лежат предложенные ЭЭС, позволил оптимизировать технологию получения
гетероструктур аморфный/кристаллический полупроводник на основе a-Si:H и
его сплавов, полученных методом НЧ ПХО при повышенных скоростях роста.
Определены технологические режимы осаждения, при которых формируются
гетероструктуры a-Si:H/c-Si, a-Si:H(n-THn)/c-Si, a-SiC:H/c-Si и a-SiGe:H/c-Si
приборного качества.
4) Выводы и рекомендации, сделанные в диссертационной работе Мазурова
А.В. в части исследования электрофизических свойств и оптимизации
технологии формирования гетероструктур на основе аморфного
гидрогенизированного кремния и его сплавов с германием и углеродом,
использованы в серии НИР по созданию фоточувствительных структур и в
учебном процессе МИЭТ (ТУ) в лекционном курсе и лабораторном практикуме
по дисциплинам «Материалы электронной техники», «Полупроводниковые
преобразователи энергии» и «Физика и химия полупроводников». Результаты
работы могут быть использованы при создании элементов солнечных батарей и
датчиков излучения на основе аморфного гидрогенизированного кремния и его
сплавов с германием и углеродом.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Методика моделирования прямых и обратных ветвей ВАХ гетероструктур a-Si:H/c-Si, a-Si:H(n-THn)/c-Si, a-SiC:H/c-Si и a-SiGe:H/c-Si с использованием эквивалентных электрических схем, позволяющих описать ВАХ в широком диапазоне температур и прикладываемых к гетероструктурам смещений, а также определить параметры переноса носителей заряда.
Механизмы переноса носителей заряда при прямых и обратных смещениях для гетероструктур a-Si:H/c-Si, a-Si:H(n-THn)/c-Si, a-SiC:H/c-Si и a-SiGe:H/c-Si, сформированных при повышенных скоростях роста.
Взаимосвязь плотности состояний в щели по подвижности a-Si:H и сплавов на его основе и на границе раздела гетероструктуры аморфный/кристаллический полупроводник и механизмов переноса носителей заряда при прямых и обратных смещениях.
Формирование гетероструктур a-Si:H/c-Si, a-Si:H(n-THn)/c-Si, a-SiC:H/c-Si и a-SiGe:H/c-Si приборного качества в низкочастотной плазме (55кГц) тлеющего разряда при повышенных скоростях роста и низких температурах осаждения.
Апробация работы.
По результатам исследований были сделаны доклады на: Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-2000»; Межвузовской научно-технической конференции "Электроника и информатика" МИЭТ, Зеленоград 1999-2004 гг.; конференции «Полупроводники-99», Новосибирск, 1999 г.; Международной школе-конференции по физическим проблемам в материаловедении полупроводников, Черновцы, 1999 г.; XI Научно-технической конференции "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" (Датчик - 99). Гурзуф.; 17th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, International Congress Centre Munich, Germany.; International workshop on "Modern problems in the physics of surfaces and nanostructures" 2001 Yaroslavl.; Отчетной конференции по программе: Топливо и энергетика. 2001 г., Москва, МЭИ.; Всероссийской научно-технической дистанционной конференции «Электроника». Зеленоград, 2001 г.; SPIE's 47-th Annual Meeting, 2002, Seattle.; Восьмой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. 2002 г. Москва. Мэй.; Международной конференции "Аморфные и микрокристаллические полупроводники", Санкт-Петербург, 2002г, 2004 г.; Международная конференция по физике электронных материалов ФИЭМ-02, 2002 г. Калуга,
Россия.; IV Международная научно-техническая конференция, Москва МИЭТ, 2002г.; International Conference "Micro- and nanoelectronics - 2003" (ICMNE-2003, Zvenigorod, Moscow district, 2003);
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 26 печатных работ, в том числе: 1 в журнале "Перспективные материалы", 3 работы в трудах зарубежных конференций, а также тезисы докладов на российских и международных конференциях.
Структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов по работе, содержит 220 страниц машинописного текста, включая 41 таблиц, 143 рисунка и список литературы в количестве 134 наименований и приложения
Энергетические диаграммы гетероструктур на основе кристаллических и аморфных полупроводников
Известно, что в аморфных полупроводниках дальний порядок отсутствует, по этой причине основные положения зонной теории кристаллов не применимы. Андерсоном было сделано предположение, что потенциал случайным образом меняется от узла к узлу и все состояния в зоне локализованы [27]. Затем Мотт рассмотрел ситуацию, когда потенциал случайным образом меняется от узла к узлу, а критерий локализации не выполняется. Согласно идее Мотта, в неупорядоченных полупроводниках должны существовать хвосты локализованных состояний на краях валентной зоны (ВЗ) и зоны проводимости (ЗП), а также граничные энергии, разделяющие локализованные состояния и распространенные.
На основе этих представлений было разработано несколько моделей структуры энергетических зон в неупорядоченных полупроводниках.
В модели Коэна-Фрицше-Овшинского (КФО) [28] (рис. 1.7) принимается, что хвосты плотности состояний перекрывают всю запрещенную зону (33). Вследствие перекрытия зон в ВЗ возникают состояния (обычно заполненные), находящиеся по энергии выше состояний в ЗП (которые обычно пусты). В этом случае должно произойти перераспределение электронов, поэтому в данной модели обеспечивается самокомпенсация и уровень Ферми закрепляется в середине 33. Состояния в 33 локализованы и существуют критические энергии, отделяющие эти состояния от распространенных состояний в ЗП и ВЗ. Эти критические энергии называются порогами подвижности, а область энергий между ними - щелью по подвижности. N. . N Ev EF ЕС"Е Ev Ев EF ЕАЕС Рис. 1.7. Модель Коэна-Фрицше- Рис. 1.8. Модель Мотта-Девиса (МД). Овшинского (КФО).
Согласно Девису и Мотту [29] (рис. 1.8), хвосты локализованных состояний должны быть довольно узкими, распространяясь в 33 на несколько десятых электронвольт. Уровень Ферми закрепляется в узкой зоне компенсированных состояний вблизи середины 33. Предполагались также и другие аналогичные модели (рис. 1.9), в которых одна зона дефектных уровней заменялась двумя или несколькими зонами, расположенными на приблизительно равных расстояниях по обе стороны от уровня Ферми.
Все перечисленные модели различным образом отражают структурные особенности неупорядоченных полупроводников. Однако все они предполагают квазинепрерывное распределение локализованных состояний в щели по подвижности и разделение состояний на хвостах ЗП и ВЗ, глубоких дефектных состояний, а также состояния, связанных с границей раздела.
С учетом особенностей зонной диаграммы a-Si:H модель Андерсона (см. пункт 1.2) должна быть существенно модифицирована. Соответствующая модель была разработана и показана в работах [30, 31]. В этой модели пренебрегается влиянием состояний на границе раздела и рассматривается обедненная область (рис.1.10), формирующаяся в гетеропереходе a-Si:H/c-Si(p). На рисунке представлен случай обратного смещения гетероструктуры. При этом в c-Si(p), легированном бором, существуют только мелкие акцепторные уровни и пространственный заряд образуют отрицательно заряженные акцепторы.
Решая уравнение Пуассона для одномерного случая, и пренебрегая влиянием неосновных носителей заряда, получим: где Єї - диэлектрическая проницаемость кристаллического кремния (єі=11,7), VD1-контактная разность потенциалов в c-Si.Рассмотрим пространственный заряд в обеих частях обедненной области a-Si:H (1,11), разделенных точкой W при EF=EF . Кинетика захвата на этих состояниях определяется равновесием между термоэмиссией электронов и дырок и процессами захвата электронов и дырок на состояниях в щели. В связи с этим удобно рассматривать квазиуровни для электронов (EFn) и дырок (Ерр), и энергетический уровень EF , для которого скорости эмиссии для электронов и дырок одинаковы [30, 31]: E;=Ec-W + (v/)ln(v /) . (1.6) vrj
В нейтральной области все состояния в щели под уровнем Ферми (EF) заняты электронами, тогда как в обедненной области состояния выше EF , для которого скорости эмиссии для электронов и дырок одинаковы (см. рис. 1.10), свободны. Следовательно, эти состояния являются центрами рекомбинации, они реагируют на сигнал частотой 1 МГц (черная область на рис. 1.7) и ведут себя как положительно заряженные, что приписывается состояниям донорного типа. Плотность этих состояний постоянна между пространственными точками 0 и W2. Вместе с некоторой плотностью свободных доноров полученная величина представляется как эффективная плотность донорноподобных состояний Nn В первой области (W x W2) где уровень Ферми выше Ет , плотность пространственного заряда р в точке х определяется формулой (рисі. 10 (с)):
Измерение температурных зависимостей вольт-амперных характеристик гетероструктур на основе a-Si:H и его сплавов
В этом методе анализа пучок электронов диаметром 0,5 мкм падает на поверхность исследуемого образца и, взаимодействуя с его атомами, генерирует рентгеновское излучение. Измеряя длину волны и интенсивность этого излучения, можно определить, какие элементы присутствуют в образце и каковы их концентрации.
В образце могут происходить два типа соударений электронов: - упругие; - неупругие. Упругие соударения, при которых электроны сталкиваются с ядрами атомов и изменяют направление движения, не меняя энергии. Некоторые электроны, сталкиваются с ядрами атомов и изменяют направление движения, не меняя энергии. Некоторые электроны, сталкивающиеся с атомами в тонком поверхностном слое образца, отклоняются более, чем на 90, и покидают образец, не возбуждая рентгеновского излучения. Этот эффект рассеяния электронов «назад» усиливается с ростом атомного номера рассеивающего элемента и может быть использован для получения информации о составе зондируемого образца;
Неупругие соударения, при которых падающие электроны взаимодействуют с электронными оболочками атома, вызывая появление рентгеновских лучей. Столкновения с электронами внешних оболочек порождают непрерывный спектр рентгеновского излучения. Характеристическое излучение возникает лишь на дискретных длинах волн, зависящих от атомного номера элемента, и лежит на фоне непрерывного спектра излучения.
Ренгеноспектральный микроанализ позволяет определить химический состав образца в интервале концентраций от 0,1 до 100 ат.% с точностью ± 2%, а в некоторых случаях даже с точностью до ± 1%, при условии, что измерение интенсивности ренгеновского излучения проводится с достаточной тщательностью и что при переводе величин этой интенсивности в весовые проценты вносятся соответствующие поправки [55]. Ценность данного метода заключается не в его чувствительности, а скорее в его способности осуществлять анализ очень небольших объемов материала.
Из всех методов исследования обратное рассеяние Резерфорда является самым простым для понимания и применения. В данном методе моноэнергетические частицы пучка сталкиваются с атомами мишени, рассеиваются назад и попадают в детектор-анализатор, измеряющий энергии частиц. При столкновении энергия передается от движущейся частицы неподвижному атому мишени, при этом уменьшение энергии рассеянной частицы зависит от ее массы и массы атома мишени и позволяет идентифицировать атом мишени.
Этот метод анализа является наиболее точным, так как ионы Не (наиболее часто используемые в качестве первичных ионов) с энергией в несколько мегаэлектронвольт испытывают столкновения при малых значениях прицельного параметра и отклоняются хорошо известными силами кулоновского отталкивания, действующими между положительно заряженными ядрами налетающих частиц и атомами мишени. При этом достигается энергетическое разрешение порядка 10-20 кэВ, что дает возможность разрешать изотопы с атомными массами до 40 (например, изотопы хлора). Для мишени из элементов с атомными массами порядка 200 разрешение составляет порядка 20 кэВ, что приводит к невозможности различить атомы элементов, 181т- 201тт находящихся между Та и Hg.
Кроме высокой разрешающей способности достоинством данного метода исследования является еще и то, что он позволяет определять не только изменение состава с глубиной, используя ионы высоких энергий («МэВ), но и на поверхности образца и тонких пленках, используя ионы низких энергий («кэВ) [55,56].
В процессе распыления поверхностные слои разрушаются, и поэтому измерение относительного содержания продуктов распыления представляет собой прямой метод определения состава разрушенного слоя. Анализ продуктов распыления является самым чувствительным методом исследования поверхности. Обычно он используется при измерениях малых концентраций чужеродных атомов в твердых телах.
Наиболее широко распыление применяется с целью последующей регистрации и анализа ионизированных продуктов распыления - вторичных ионов. В этом методе твердый образец обрабатывают пучком ионов из внешнего источника. Наиболее часто используются ионы Аг и Ог. Если изучается непроводящий образец, необходимо предотвратить накопление положительного электростатического заряда на поверхности, мешающее правильной фокусировке. С этой целью образец облучают избытком низкоэнергетических электронов из электронной пушки.
Большим достоинством метода ВИМС является возможность исследования содержания водорода в широком диапазоне концентраций (1019-ь1021 см"3). Однако в этом случае загрязнение поверхности образца парами воды может сильно повлиять на динамический диапазон метода. Метод ВИМС позволяет получать информацию о наличии в изучаемом образце элементов от Н до U. При этом чувствительность метода в долях атомного монослоя составляет 10"5, а эффективная глубина анализа равна 10 А [55, 56].
Использование ИК-спектроскопии (ИКС) для исследования локальной структуры, образованной атомами примеси, основано на сопоставлении характерных полос в спектрах ИК поглощения и модельных колебательных спектров, связанных с той или иной атомной конфигурацией. Наиболее полная экспериментальная идентификация частот колебаний, соответствующих различным атомным конфигурациям в a-Si:H, содержится в работе [57]. Некоторые результаты этой работы, касающиеся определения различных форм связи водорода с кремнием в a-Si:H, включены в таблицу 2.1. Характеристики специфических полос поглощения, наблюдаемые в ИК-спектрах тройных сплавов a-SiGe:H и a-SiC:H, приведены там же.
Измерения ИК-поглощения проводились с помощью спектрометра Specord 75. При этом в измерительный канал помещался образец - пленка a-Si:H на подложке c-Si (КДБ-10 или 12), а в канал сравнения соответствующая чистая подложка c-Si. Экспериментальная ошибка коэффициента пропускания AT была не хуже 1%, а волнового числа - 5 см"1.
Температурные зависимости В АХ гетероструктур a-Si:H/c-Si
Известно, что наличие поверхностных состояний на границе раздела может существенно повлиять на характеристики и механизм переноса носителей заряда формируемых гетероструктур. Прежде всего, это связано с процессами рекомбинации носителей заряда на границе раздела гетероструктур. В этом случае спектральная фоточувствительность гетероструктур a-Si:H/c-Si в значительной степени определяется процессами рекомбинации носителей заряда на состояниях границы раздела, что, таким образом, позволяет оценить качество формируемой границы раздела.
Для исследования спектральных характеристик гетероструктур a-Si:H/c-Si были изготовлены образцы со структурой, аналогичной представленной на рис.3.1. При этом Тп была равна 200 С, мощность разряда, давление в реакторе и расход моносилана составляли 200 Вт, 70 Па и 200 ст.см3 соответственно. Образец a-Si:H/c-Si освещался со стороны осажденного аморфного полупроводника.
Относительная квантовая эффективность фотопреобразования г для гетероструктур аморфный/кристаллический полупроводник вычислялась по формуле [81-84]:
На рис. 3.11 представлена спектральная зависимость г для гетероструктуры a-Si:H/c-Si. Длинноволновый край зависимости r\(hv) определяется межзонными оптическими переходами в узкозонном материале c-Si в результате поглощения фотонов с энергией, большей, чем ширина запрещенной зона кристаллического кремния (Е 1,12 эВ) [68]. Коротковолновый спад т объясняется тем, что растет коэффициент поглощения, при этом большая часть излучения поглощается в приповерхностном слое и меньшая часть генерированных светом носителей доходит до р-n перехода.
Широкополосный характер квантовой эффективности фотопреобразования (т.е. высокие значения т в области энергий между шириной запрещенной зоны кристаллического и аморфного гидрогенизированного кремния) свидетельствует о достаточно высоком качестве границы раздела в гетероструктурах и низкой интенсивности процессов рекомбинации на ней [81-84]. Такое высокое качество границы раздела может быть связано с присутствием водорода в пленках a-Si:H и пассивацией оборванных связей, как в аморфном полупроводнике, так и на границе раздела в гетероструктурах a-Si:H/c-Si, что приводит к уменьшению плотности поверхностных состояний. Кроме того, дополнительное улучшение качества границы раздела может быть связано с обработкой поверхности роста ионами в НЧ разряде.
Кроме того, для исследованных гетероструктур была оценена удельная фоточувствительность S [68], которая рассчитывалась как отношение фотопроводимости к интенсивности падающего излучения, т.е. S = О" rh J (3.3) где (Уф - фотопроводимость, J- интенсивность падающего освещения.
На рис. 3.12 представлены спектральные зависимости S для гетероструктуры a-Si:H/c-Si. Установлено, что положение пика удельной фоточувствительности не зависит от величины прикладываемого напряжения и находится на длине волны 830 нм. Однако полуширина пика S(X) при прямых смещениях уже, чем при обратных.
Таким образом, показано, что гетероструктура a-Si:H/c-Si имеет высоко качественную границу раздела. Пик удельной фоточувствительности наблюдается при 830 нм.
Следует отметить, что в приборах на основе a-Si:H помимо гетероструктур собственный a-Si:H/c-Si применяются также гетероструктуры с легированным a-Si:H. В связи с этим представляется необходимым исследовать влияние легирования на механизмы переноса носителей заряда в гетероструктурах a-Si:H(nnn)/c-Si. При формировании гетероструктруры a-Si:H(nrai)/c-Si слои a-Si:H п-типа осаждались из газовой смеси моносилана (100% SiH4) и фосфина (2%РН3+98%Н2). При этом содержание РН3 в газовой смеси (RP=([PH3+H2]/([SiH4]+[PH3+H2])100%)) изменялось в диапазоне 0,36-1,37%, температура подложки, мощность разряда и давление поддерживались постоянными и составляли 200 С, 200 Вт и 70 Па соответственно.
Температурные зависимости В АХ гетероструктур a-Si:H(nHn)/c-Si были измерены в диапазоне температур от 290 до 462 К на стенде, блок-схема которого представлена в разделе 2.2.1.
Было установлено, что прямые ветви ВАХ гетероструктур a-Si:H(nHn)/c-Si, представленные на рис. 3.13, имеют две области (V 1,0 В и V 1,0 В) с различной зависимостью между током и напряжением. В связи с этим, в выделенных областях напряжений была проведена аппроксимация ВАХ с использованием различных соотношений, описывающих тот или иной механизм переноса носителей.
Оптические и электрофизические свойства a-Si:H
Из рисунка следует, что на зависимости параметра В от Тп можно выделить минимум при температуре подложки, равной 100 С. При Тп 100 С наблюдается рост значений В. Показанные на этом же рисунке значения положения уровня Ферми относительно края зоны проводимости, определенные по данным измерений темновой проводимости пленок a-Si:H, свидетельствуют о том, что рост температуры подложки несущественно влияет на положения уровня Ферми, который при всех Тп находится в верхней половине щели по подвижности. Это согласуется с литературными данными [17], согласно которым собственный a-Si:H является полупроводником n-типа. Наблюдаемый рост фоточувствительности (о"ф/ат) пленок a-Si:H с ростом Тп (см. табл. 4.2) объясняется получением более упорядоченной структуры a-Si:H при высоких температурах подложки. Это подтверждается увеличением параметра В с ростом температуры, поскольку параметр В обратнопропорционален ширине хвостов зон (см. раздел 2.4.2) и, таким образом, характеризует степень разупорядоченности структуры.
На рис. 4.2 представлена зависимость удельного сопротивления пленки a-Si:H от температуры подложки. Из рисунка видно, что наблюдается общая тенденция к уменьшению значений удельного сопротивления с ростом температуры подложки. Следует принять во внимание, что из-за значительной разницы в подвижность электронов и дырок (подвижность электронов на два порядка выше, чем подвижность дырок), основными носителями заряда в a-Si:H являются электроны [104]. Учитывая, что наблюдается слабая зависимость линии тренда. положения уровня Ферми от Тп (см. Табл. 4.2, рис.4.1), можно утверждать, что концентрация свободных электронов в зоне проводимости слабо изменяется. В этом случае, уменьшение р с ростом Тп объясняется ростом подвижности электронов. Известно, что на подвижность влияют механизмы рассеяния на дефектах структуры [105]. В этом случае рост подвижности с ростом Тп свидетельствует о формировании более упорядоченной структуры a-Si:H. Таким образом, показано, что с увеличением температуры осаждения слоев a-Si:H формируются более упорядоченная структура пленок a-Si:H.
Совместное использование данных ВФХ, ЭПР, МПФ и ИК-спектроскопии позволяет определить плотность и вид распределения энергетических состояний в щели подвижности аморфного полупроводника, расположенных вблизи уровня Ферми (NIE), плотность состояний на границе раздела (NSs) гетероструктур аморфный/кристаллический полупроводник, плотность нейтральных состояний ND в a-Si:H, определяемую с помощью ЭПР, интегральную плотность состояний Ні(МПФ), а также понять их природу. Значения NiE, NSs, ND и (МПФ) приведены в таблице 4.3. Кроме того, в таблице приведены значения энергии Урбаха, определенные с помощью МПФ.
Метод ЭПР дает информацию о количестве нейтральных оборванных связей кремния. В этом случае полученная линейная зависимость между NjE и ND (рис.4.3) указывает на то, что состояния вблизи уровня Ферми, определяемые с помощью метода ВФХ, обусловлены нейтральными оборванными связями кремния.
На рис. 4.4 показана зависимость NIE от интенсивности связей Si-H2. Из рисунка следует, что плотность состояний вблизи уровня Ферми с ростом I[Si-H2] возрастает. Иными словами, увеличение количества связей Si-H2 приводит к увеличению плотности локализованных состояний вблизи уровня Ферми. Известно, что энергия связи Si-H выше, чем Si-H2. В этом случае определяющее влияние на количество дефектов типа оборванная связь кремния будут оказывать связи типа Si-H2. Следовательно, можно утверждать, что, чем больше концентрация связей Si-H2, тем выше концентрация дефектов, типа оборванная связь кремния. Таким образом, состояния NIE определяются нейтральными оборванными связями кремния.
Из таблицы 4.3 видно, что плотность состояний Ыа(МПФ) с ростом температуры подложки растет. Следует отметить, что метод МПФ позволяет оценить плотность глубоких состояний типа оборванная связь в нижней части щели по подвижности a-Si:H. Таким образом, рост Тп приводит к росту плотности состояний в нижней части щели по подвижности.
Согласно данным, приведенным в таблице 4.3, при Тп=40 С наблюдается максимальное значения энергии Урбаха (E0v)- При увеличении Тп до 100 С происходит резкое уменьшение значений Eov и при дальнейшем росте Тп величина энергии Урбаха изменяется не так существенно. Увеличение значений параметра В (табл. 4.2) и подобное поведение E0v свидетельствуют о формировании более узких и резких хвостов валентной зоны и зоны проводимости при температуре подложки более 100 С. Таким образом, при температуре подложки более 100 С происходит формировании более упорядоченной структуры пленок a-Si:H, что согласуется с выводами, сделанными в разделе 4.1.2.
Значения плотности состояний вблизи уровня Ферми, на границе раздела и в объеме a-Si:H, приведенные в таблице 4.3, свидетельствуют о том, что минимум плотности состояний (NIE=1,68 1015 см"3, Nss=l,l 10й см"2, ND=3,23 1017 см"3, Nd(Mn D)=5,77 10 CM"J) наблюдается для пленок a-Si:H, полученных в диапазоне Тп от 170 до 275 С. Данный результат согласуется с данными ИК-спектроскопии, согласно которым максимальные концентрации водорода в пленке a-Si:H, наблюдаются в диапазоне Тп от 100 до 275С (см. раздел 4.1.1). Известно [106-108], что водород пассивирует оборванные связи, что, в свою очередь, приводит к снижению концентрации дефектов типа оборванная связь.
Таким образом, установлено, что рост температуры подложки приводит к упорядочению структуры пленки a-Si:H. Кроме того, показано, что сформированные при высоких Тп пленки a-Si:H обладают электрофизическими и оптоэлектронными свойствами приборного качества. Показано, что минимальные концентрации дефектов наблюдаются для образцов, полученных при Тп в диапазоне от 170 до 275 С.
