Введение к работе
Актуальность темы
Поиск нетрадициошшх материалов для элементов твердотельной электроники привел к открытию и бурному развитию физики неупорядоченных полупроводников. Наиболее перспективным в приборном применении из этого класса полупроводников является аморфний гидрогенизированный кремний (a-Sl:H). Перспективность обусловлена применением при его получении низкотемпературной технологии непрерывного осавдения тонких пленок вещества на подложку, возможностью создавать приборы, совмещающие в себе элементы на основе как монокристаллических, так и аморфных материалов и осуществлять аффективное легирование. Дальнейшее исследование этого материала
показало, что он имеет высокое значение коэффициента поглощения
S —1 '
(гю см ) во всем видимом участке спектра, высокое удельное
ft 1 п сопротивление (10 ...Ш'и Ом см) и величину щели подвижности,
которую можно менять, за счет степени гидрогенизации.
Эти свойства a-Si:H позволили использовать его для создания диодов Шоттки, p-i-n структур для солнечных элементов, тонкопленочных полевых транзисторов, фотодатчиков и др. Проблема стабильного и надежного омического или запирающего контакта к a-Si:H стоит очень остро. До сих пор нет четкого и ясного понимания физических процессов на контакте металл (Me)/a-Sl:H и концепции управления свойствами барьера на контакте. Данные по высоте барьера (срв), полученные в разных лабораториях, показывают различия в величине фв для одного и того же металла. Кроме того, для описания токопереноса через этот барьер используется обычно классическая диффузионная ( или диодная ) теория. Такой подход вызывает сомнения, ввиду различной природы аморфного и -кристаллического кремния. В некоторых работах появились утверждения о возможности создания квазиомическбго контакта к нелегированному a-Si:H за счет выбора материала электрода без каких-либо дополнительных технологических операций. Противоречия и отсутствие единой теории барьеров на контакте металл - аморфный полупроводник, а также необходимость определения способов создания омических и запирающих контактов к нелегированному a-Si:H обусловили интерес в vie,-
следовании контакта металл-нелегированный a-Sl:H (a-Si:H(i)).
Цапь Работы
Выявление факторов, влйякщих на формирование потенциального барьера на контакте He/a-SliH(l). Определение высоты барьера Me/a-Si:H(l) для металлов с различной работой выхода. Использование результатов исследований при разработке элементов пвмяти и тонкопленочных полевых транзисторов на базе a-Si:H(i). Поставленная цель вызвала необходимость решения следувдих задач:
1) построение физико-математической модели формирования
барьера Me/a-Si:H(i);
-
разработкали создание измерительного комплекса, позволяющего измерять электрические параметры барьера: ток 10~ ...1 А, сопротивление до 10 Ом, емкость 10-...10-' Ф; задавать смещение +0,001...100 В; устанавливать и поддерживать температуру с. точностью ±1 С в интервале 77...573 К;
-
исследование барьеров, которые формируются на контакте пленок a-Sl:H, полученных методом реактивного распыления и методом тлеющего разряда, с Металлом;
-
уточнение методик расчета срв для контакта металла с a-Si:H(i) с учетом плотности состояний в щели подвижности,использование нескольких методов определения. фв для большей достоверности результатов;
5) исследование влияния барьера Ые/а-51:Н(1) на работу
элементов памяти, (ЭП>, тонкопленочных полевых транзисторов (ТОТ)
и друшх приборов на некристаллических полупроводниках.
Наыаш щвизна
-
Предложена физическая модель формирования барьера Ue/a-Si:H(l) о учетом влияния плотности состояний в щели подвижности.
-
Разработана методика вычисления <рв методами ВАХ, энергии активации и C-V методом, учитывающая параметры распределения плотнооти локализованных состояний. Предложен способ определения
Фв по низкочастотным вольт-фарадным характеристикам ( НЧ ВФХ ) в системе He/a-Si:H(l)/Me с тонким слоем ( до 1 мкм ) a-Si:H(l). Виведена формула для вычисления НЧ емкости барьера металл -аморфный полупроводник, позволяющая го наклону и максимуму НЧ c-V зависимости определять величину встроенного потенциала.
3. Впервые установлены периодическая зависимость срв для барьера Me/a-Si:H(l) от положения металла в системе элементов Менделеева и зависиморгь ф_ от плотности локализованных состояний, определяющейся технологией получения пленок a-Si:H.
Практическая ценность работы
-
Разработана и изготовлена комплексная измерительная установка для исследования ВАХ, ВФХ, фотоэлектрических измерений и их температурных зависимостей в широком диапазоне значений токов, напряжений, емкости, сопротивлений и температур.
-
Разработана методика вычисления срв по БАХ, НЧ ВФХ и температурным зависимостям тока насыщения с учетом параметров распределения плотности состояний.
-
Доказана невозможность получения квазиомического контакта металлов- с малой работой выхода к a-Si:H(i) в ЭП и ТПТ.
-
Рекомендовано использование в качестве активных структур в ЭП и ТБТ пленок a-Sl:H(l), полученных методом тлеющего разряда (ТР) и имеющих меньшую дефектность структуры.
, 5. Разработано устройство регистрации амплитуда короткого одиночного импульса для измерения пороговых параметров ЭП и других пороговых элементов на некристаллических полупроводниках.
-
Разработана конструкция ячейки памяти на аморфных полупроводниках, позволяющая использовать в качестве диода развязки р-п переход между аморфными полупроводниками с разным типом проводимости.
-
Предложен способ управления переключательными параметрами (II L) пороговых элементов на аморфных полупроводниках посредством поперечного магнитного поля.
Научные положения^ выносимые на зашиту
-
Высота барьера Me/a-Sl:H(i) зависит от природы металла и технологии получения пленок a-Si:H(i). Первая зависимость проявляется в периодичности величины фв от положения металла в периодической системе элементов; вторая - в уменьшении эффективной высоты барьера для пленок a-Si:H, полученных реактивным распыле нием.
-
Фактор "идеальности" ВАХ системы Me/a-Si:H(i)/Ue определяется наличием двух встречновключенных барьеров, в результате чего на ВАХ наблюдаются ветви обратносмещенных барьеров.
-
Надбарьерный механизм токопереноса является преобладающим в структуре Me/a-Si:H(I)/He при температуре »300 К и толщине пленки *1 мкм.
4. Низкочастотная емкость барьера Me/a-Si:H(i) носит
экспоненциальный характер и может быть определена выражением:
С = 1 expt-p^Eg+Ejn-exp -і IP- .tt-expCP^eU^))), (1)
где p1 - параметр, характеризующий плотность локализованных
в середине щели подвижности состояний; ,
Bj - параметр, характеризующий плотность состояний на хвостах зон;
X - параметр, зависящий от р1 и В^ (1*1; Ф0 - встроенный потенциал; E_,Ej, - ширина щели подвижности и положение уровня Ферми, соответственно.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на IX Международной конференции "Некристаллические полупроводники 89" (Ужгород, 1989), Первой Всесоюзной школе-, семинаре "Аморфные полупроводники и приборы на их основе" (Алма-Ата, 1989), г? Всесоюзном семинаре "Пути повышения стабильности и надежности микроаломрнтов и микросхем" (Рязань, 1988), Всесоюзном
семинаре "Состояние и перспективи развития микроэлектрошоП аппаратуры и ее элементной базы" (Севастополь, 1991), Всесоюзном семинаре "Аморфные гидрированные полупроводники и их применение" (Ленинград, 1991), Координационном совещании "Развитие методов проектирования и ' изготовления интегральных запоминающих устройств" (Зеленоград, 1991 ), III Всесоюзной конференции "Физические основы надежности и деградации полупроводниковых приборов" (Кишинев, 1991), а также ежегодных научно-технических конференциях Рязанского радиотехнического института. По результатам исследований имеется 12 публикаций, в том числе 3 авторских свидетельства.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 142 наименований и шести приложений. Она содержит 148 страниц машинописного текста, 7 таблиц, 84 рисунка.
