Введение к работе
Актуальность работы
В последние годы исключительно интенсивно развивается физика некристаллических веществ, к которым относятся жидкие металлы и полупроводники, стекла, аморфные металлические сплавы и т. д.
Существование металлов, полупроводников и диэлектриков, как известно, объясняется зонной теорией твердого тела, полностью основанной на существовании дальнего порядка. Открытие того, что аморфные вещества могут обладать теми же электрическими свойствами, что и кристаллические, привело к переоценке роли периодичности. В I960 году А.Ф. Иоффе и А.Р. Регель [1] высказали предположение, что электрические свойства аморфного полупроводника определяются не дальним, а ближним порядком.
Очевидно, что широкое использование аморфных полупроводников для производства приборов невозможно без надежного метода, позволяющего изменять их свойства. Основная трудность заключается в том, что аморфные полупроводники, в отличие от кристаллических, малочувствительны к введению в них примеси. В 1975 году в экспериментах У.Э. Спира и П. Ле Комбе [2] было установлено, что некоторая форма аморфного кремния, получающаяся при разложении газа силана (SiH4), поддается легированию примесями III и V групп таблицы Д.И. Менделеева.
Примерно в это же время появляются первые работы по изучению структуры ближнего порядка аморфных полупроводников, в частности аморфного кремния (a-Si), выполненные Моссери [3] и Барном [4] и впоследствии дополненные исследованиями Грачика [5]. Основной вывод из этих работ состоит в том, что параметры ближнего порядка a-Si примерно такие же, как у кристаллического кремния, то есть первое координационное число у a-Si близко к 4, радиус первой координационной сферы близок к величине 2.35 А и угол между связями составляет 110-115. Разброс парамет-
4 ров ближнего порядка обусловлен разницей методов и условий получения аморфных пленок. Эти данные вместе с появившимися в то время исследованиями плотности локализованных состояний в щели подвижности a-Si позволили объяснить эффект легирования некристаллического кремния и ряд других его свойств.
Позднее, в 1991 г., в совместной работе сотрудников кафедры кристаллографии и оптоэлектроники Нижегородского университета и сотрудников Центра ядерных исследований в г. Юлих (ФРГ) [6] были приведены некоторые свидетельства того, что при определенных условиях структура ближнего порядка a-Si может отличаться от обычной тетраэдрической, и она изменяется в процессе обработки этого полупроводника. Эти данные открывали перспективу целенаправленной модификации структуры аморфного кремния и получения, таким образом, полупроводника с необычными свойствами, что имело бы большое научное и практическое значение.
Целью настоящей работы было систематическое изучение изменений структуры аморфного кремния в зависимости от способов его получения, условий термообработки (отжига) и ионной имплантации, установление закономерностей структурных изменений, а также их влияние на свойства a-Si.
Для достижения этой цели было необходимо решить следующие задачи:
-
На основе анализа кривых радиального распределения получить информацию о структуре ближнего порядка аморфного кремния, приготовленного методами разложения силана в тлеющем разряде (a-Si:H) и сублимации в вакууме (a-Si). Из полученных данных выяснить какова роль водорода в структурных изменениях.
-
Для a-Si:H и a-Si установить закономерности изменения структуры ближнего порядка при отжиге.
-
Исследовать влияние имплантации ряда примесей на структурные изменения аморфного кремния.
-
Для некристаллического кремния, полученного имплантацией в кристаллы кремния сверхвысоких доз неона, в котором наблюдается эффект магнитного упорядочения, попытаться установить взаимосвязь этого упорядочения и структурных изменений, вызванных имплантацией неона.
-
Исследовать влияние модификации структуры аморфного кремния при отжиге и ионной имплантации на его свойства.
Научная новизна
-
Впервые проведены систематические исследования влияния отжига и ионной имплантации на структуру и свойства пленок аморфного кремния, полученных различными методами. Приведены результаты расчета параметров ближнего порядка аморфного кремния.
-
Установлены и изучены неизвестные ранее закономерности перехода аморфного тетраэдрического кремния в новое структурное состояние с первым координационным числом 2 и углом между ковалентными связями 180 в процессе термообработки (отжига) и ионной имплантации.
-
Предложен механизм модификации структуры ближнего порядка аморфного кремния, основанный на реконструкции в процессе отжига ковалент-ных связей из простых ординарных (ст-связи) в двойные и тройные (а- и л-связи).
-
Впервые обнаружено образование новых слоистых соединений SixNey (клатраты) при облучении пленок a-Si сверхбольшими дозами ионов неона. Установлена взаимосвязь между формированием клатратов и явлением магнитного упорядочения в облученном ионами неона аморфном кремнии.
-
Получены новые данные об изменении оптических свойств пленок a-Si при вариации скорости напыления, температуры подложки и отжиге на
воздухе, имеющие практическое значение для изготовления на основе аморфного кремния интерференционных оптических покрытий.
Практическая значимость
Полученные в работе новые знания о модификации структуры и свойств аморфного кремния могут быть использованы в процессе создания приборов и устройств, содержащих слои аморфного полупроводника, а также при подготовке специалистов и магистров на физических и технических факультетах высших учебных заведений.
Разработанные в процессе выполнения диссертационной работы под-колпачное устройство к серийной установке ВУП-5 для получения пленок а-Si:H методом разложения силана в плазме тлеющего разряда и технология напыления пленок a-Si электронно-лучевым испарением на промышленной установке ВУ-1А, исключающая разбрызгивание испаряемого материала, могут найти применение при изготовлении интерференционных покрытий для волоконно-оптических систем связи и других устройств.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Как для облученного, так и для необлученного аморфного кремния после отжига при 500 С характерно уменьшение первого координационного числа. Максимальное уменьшение (с 4 до 2) наблюдается в a-Si:H с максимальным содержанием водорода (около 40 ат. %). Это сопровождается уменьшением межатомных расстояний и увеличением валентного угла до 180.
-
Изменение структуры ближнего порядка аморфного кремния обусловлено реконструкцией ковалентных связей в процессе отжига. При этой реконструкции кроме одинарных ковалентных связей (а-связей) формируются дополнительные ковалентные связи (л-связи). Таким образом, ближайшие
7 атомы кремния становятся связанными двойными ковалентными Si = Si или даже тройными Si = Si связями.
-
В a-Si, полученном имплантацией больших доз инертных газов в монокристаллический кремний (c-Si), в аморфной матрице формируется слоистая структура, идентифицируемая нами как новое клатратное соединение SixNey.
-
Клатратная фаза SixNey содержит высокую, порядка 1021 см'3, концентрацию дефектов с нескомпенсированным спином и при температуре близкой к 150 К переходит в ферромагнитное состояние.
-
Отжиг a-Si на воздухе, так же как и уменьшение скорости напыления, ведет к снижению показателя преломления и к смещению края поглощения в высокоэнергетическую область.
Апробация работы
Результаты и выводы, полученные в процессе работы над диссертацией, докладывались и обсуждались на I Российской конференции по физике полупроводников (Н.Новгород, 1993 г.); Всероссийской научно-технической конференции "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники" (Таганрог, 1994 г.); 9 Международной конференции "Модификация материалов методом ионной имплантации" (Канберра, Австралия, 1995 г.); 3 Всероссийской научной конференции студентов-физиков (Екатеринбург, 1995 г.); Всероссийской научной конференции "Структура и свойства кристаллических и аморфных материалов" (Н.Новгород, 1996 и 1997 г.г.). Выполняемая работа поддерживалась грантами Госкомитета РФ по высшему образованию и международным фондом Сороса.
Публикации
Основные результаты работы опубликованы в 15 печатных трудах, включая оригинальные статьи в отечественных и зарубежных журналах, доклады на конференциях.
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов по работе и содержит 127 страниц машинописного текста, 5 таблиц, 41 рисунок и список литературы из 117 наименований.
