Свойства пленок и P-I-N фотопреобразовательных структур на основе а-Si:H и его сплавов, полученных в тлеющем разряде постоянного тока Таусаров, Камбар

Введение к работе

-3- Актуальность темы. Актуальность направления исследовании связана с тем, что обьектом изучения является аморфный гндрогенизированпый кремний a-Si:H, считающийся весьма перспективным пленочным материалом для фотоэнергетики, полупроводниковой электроники и оптоэлектроники, а также других областей науки и техники. Большой интерес к этому материалу обусловлен не только его ценными для практического применения полупроводниковыми свойствами, но и в связи с научными проблемами, стоящими перед физикой неупорядоченных твердых тел. Поскольку еще не определена природа аморфного состояния, не выявлены полностью многие фундаментальные свойства некристаллических тел, в частности, и a-Si:H.

Известно, что сложно изменить тип проводимости многих аморфных полупроводниковых материалов и данный факт ограничивает их использование. В 1975 г. В.Спир и П.Ле-Комбер показали, что аморфный кремний можно легировать, получая при этом материал как п-, так и р-типа проводимости. После этого открылась возможность его широкого применения. Этими же учеными было обнаружено, что очень важной особенностью рассматриваемого материала является наличие химически связанного водорода. Хотя роль водорода в атомной, электронной структуре и механизм легирования еще не выяснены. Пока не определены причины появления структурной неоднородности в пленках a-Si:H, влияния на электронные свойства нанокрпсталлическнх и микрокристаллических включений в аморфной матрице. Предстоит еще решить вопросы о взаимосвязи между типами дефектов, способами внедрения водорода и процессами рекомбинации. Слабо изучены свойства пленок a-Si:H, получаемых альтернативными методами по отношению к методу ВЧ-разложения силаносодержащих газовых смесей. И почти отсутствует

-4-информацня по управлению типом проводимости пленок a-Si:H, кроме ка легированием фосфітом и дибораном, являющимися сильно токсичным соединениями.

Обьскт исследования. В качестве обьекта исследования были выбраш нелегированные и легированные пленки аморфного гпдрогеннзированног кремния, пленки a-SuO-x р-типа проводимости, а также р-і-іл - структурі на их основе. Пленки аморфных материалов выращивались в тлеюще; разряде постоянного тока на подложках из стекла, кварца пл монокристаллического кремния. Омическими контактами к р-области р-і-структур служили прозрачные проводящие покрытия ПО пли SnOz, а к г области - пленки из алюминия или серебра.

Целью работы является исследование и управление электронными структурными свойствами пленок аморфного гпдрогеннзированног

кремННЯ И ЄГО СПЛаВОВ, ПОЛученНЫХ В Тлеющем разряде ПОСТОЯННОГО ТОКс

а также создание фотопреобразовательных пленочных гетероварнзонны:

р-і-п-структур и изучение их фотоэлектрических характеристик.

Для достижения цели были сформулированы следующие экспери

ментальные задачи:

—разработать методики синтеза газов, необходимых для получепи

нелегированных и легированных пленок аморфного гидрогенпзировапоп

кремния ;

разработать методики осаждения пленок a-Si:H и a-Si_xCi._x в тлеюиия разряде постоянного тока;

исследовать структурные, электрические и оптические свойства пленої a-Si:H, выращенных в тлеющем разряде постоялого тока. Определит влияние параметров осаждения на эти свойства;

—на основе разработанных методик осаждения и результатов исследовант свойств пленок a-Si:H и a-SixCl-x, создать и изучить фотопреобразо вательные гомо-и гетероструктуры.

-5-Научная новизна данной работы заключается в следующем:

1. впервые обнаружена новая слоистая линейно-организованная структура в пленках a-Si:H (Тл = 200 С) с расстоянием между слоями 7.5 А;

2. показано, что пленки a-Si:H с наличием слоистой структуры имеют малый параметр Урбаха;

З.определены электрические и оптические параметры нелегированного a-Si:H, полученного в тлеющем разряде постоянного тока (ширина запрещенной зоны, плотность оборванных связей, показатель преломления, фотопроводимость и др.);

4. определены путем комплексного исследования с применением
оптических методов, метода комбинационнного рассеяния, высокораз-
решающеп микроскопии и др. зависимость свойств a-Si:H от его
структуры;

5. применен новый способ осаждения, пленок a-Si:H и его сплавов на электрически изолированных подложках в триодпой системе, катод-анод-подложка, с одновременной очисткой газа в плазме тлеющего разряда постоянного тока;

6. синтезированы новые газы (моноенлнлфосфнн и моносплилборан) п доказано, что применяя эти газы можно получать пленки a-Si:H п-ир типа проводимости, и, следовательно, создавать новые приборные структуры;

7. показано, что наличие в мопосплилфосфине и моносилплборане тетраэдрических образований с готовыми Si-P и Si-B связями приводит к высоким значениям проводимости легированных пленок a-Si:H;

8. показано, что введение варпзонного р+-слоя из a-Six Сі-*:Н приводит к снижению рекомбпнациопных потерь в области гетерограницы Si_xCi-x/a-Si:H и, в результате, к увеличению фоточувствителыюсти в коротковолновой области спектра фотопреобразовательпых р+ - і - п+ -

структур.

9. определено влияние изменения толщины р+ и і - слоев на фотоэлектрические свойства фотопреобразовательных р+ - і - п+-структур. Практическая ценность полученных в данной работе результатов заключается: в возможности использования научных и практических результатов, полученных при синтезировании новых газов, при разработке технологий приготовления легированных и нелегированных пленок аморфного гпдрогепнзироваиного кремния и его сплавов, а также p-i-n фотопреобразовательных структур с встроенными варпзоннымн слоями, в организациях и предприятиях, занимающихся пленочными материалами, альтернативными источниками энергии, физикой и технологией полупроводников. Научные положения, выносимые на защиту:

1. Обнаружена новая слоистая линейно-организованная структура с расстояниями между слоями 7,5 А⁰ в пленках аморфного гидрогени-зироваиного кремния. Данная линейно-организованная структура присутствует наряду с обычными неодиородностямн аморфной сетки типа пор и микрокрпсталлнтов в пленках a-Si:H, осажденных в тлеющем разряде постоянного тока при температурах подложки 200 С.

2. Параметр Урбаха, Є₀ , в пленках a-Si:H, выращенных в тлеющем разряде постоянного тока при температурах подложки 200 С, составляет 43 мэВ. Низкое значение Єо связано с тем , что аморфная фаза обладает высокой степенью упорядоченности, т.е. малым числом слабых связен, малыми углами и длинами разупорядоченных связей. Оценка параметра структурного упорядочения из оптических измерений согласуется с прямыми исследованиями структуры на электронном микроскопе.

3. Методы получения пленок a-Si:H с собственным типом проводимости
и легированных варизонных слоев a-SixCt-* в тлеющем разряде
постоянного тока. Пленки і -типа проводимости a- Si:H имеют Eg = 1.78 эВ
и плотность локализованных состоянии N_s=3«10¹⁶ см"³эВ"', а слои
a-SixCi-_x:H имеют, в зависимости от уровня легирования, 2»10"³ до 4И0"¹⁰
(Ом*см)"' и ширину запрещенной зоны Е = 2,3 - 1,75 зВ, в зависимости
от состава разлагаемой смеси SiH4+SiH3CH2 - в тлеющем разряде
постоянного тока.

4. Экспериментально показано, что моиосилилфосфин и моносплплборан
позволяют получать пленки a- Si:H соответственно п- типа и р - типа
проводимости с широким диапазоном уровня легирования. При этом
обеспечивается однородный рост пленок a-Si:H за счет готовых
тетраэдрнческих конфигурации с Si-P и Si-B связями. При высоком уровне
легировании моносилнлфосфином и моносилилбораном достигнуты
максимальные значения темповой проводимости пленок a-Si:H п⁺ -

типа бгп= Ю"²( Ом*см)"' и р⁺- типа бтр=Ю"³ (Ом*см)"' и значения

оптической ширины запрещенной зоны 1,6 и 1,65 эВ, соответственно.

5. Созданы фотопреобразовательные структуры кварц/ ITO/ p⁺-i- n⁺ / А1
на основе a-Si:H и кварц/ SnO:>/p⁺-a-SiC:B:H/- a-Si_xC(i-_X):H/i- a-Si:H I
n⁺-a-Si:P:H/Ag с варизонным a-SixQi-x):H слоем с использованием
моносялилфосфина и моносилилбораиа при формировании п⁺ и р⁺ -
слоев.

Апробация работы. Результаты исследовании, рассмотренные в данной работе были доложены на Международной конференции "Некристаллические полупроводники - 89", Ужгород, 1989 г., на совещаппп-семппаре "По физике крнокристаллов и диффузионному массопереносу" , Алматы ,

-8-
1989 г., Всесоюзной конференции "Использование нетрадициошшых
.источников энергии в народном хозяйстве Казахстана", Шымкент, 1990г.,
Международной конференции "Фотоэлектрические явления в

полупроводниках", Ашхабад , 1991 г., Международной конференции
"Policrystalline Semiconductors" , Италия, 1995 г., Международной
конференции "MRS FALL Meeting" Сан- Францлско, 1996 г.,

Международной конференции "Актуальные проблемы физики

полупроводниковых приборов" , Ташкент, 1997 г.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 14 научных работах, список которых приведен в конце автореферата.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, вывода и списка цитируемой литературы. Работа содержит 130 страниц, в том числе 85 страницы основного текста, 45 рисунков, 4 таблицы и список цитируемой литературы из 95 наименований.