Введение к работе
Актуальность работу. Широкое применение аморфного гидрогенизнро-ванного кремния (a-Si:H) в электронике и солнечной энергетике во многом связано с его уникальными оптическими и фотоэлектрическими свойствами высокими значениями коэффициента поглощения в видимой области спектра, обусловленными прчмыми оптическими переходами, и хорошей фоточувствн-тельностью. Первые успехи, достигнутые в разработке и промышленном производстве приборов на основе a-Si:H послужили стимулом для многочисленных исследований в области физики и технологии этого материала, проводимых в последние годы. Эти исследования позволили накопить значительный объем экспериментальных данных и теоретических моделей, описывающих физические свойства a-Si:H и сплавов на его основе.
Тем не менее в настоящее время остаются нерешенными ряд проблем важных как для фундаментальных исследований так и с точки зрения практического использования этих неупорядоченных полупроводников.
Существующие на сегодняшний день теоретические представления, основанные на определяющей роли структуры ближнего порядка, оказываются недостаточными для объяснения зависимости плотности состояний и физических свойств пленок a-Si:H от условий их приготовления. В то же время в современных исследованиях все чаще обращается внимание на корреляцию между макроскопическими свойствами материала и существованием в нем пор, внутренних границ, кластернрованных форм связанного водорода и других проявлений микроструктуры. В отсутствие детально разработанной теории электронной структуры реальных аморфных полупроводников особую важность приобретают экспериментальные исследования взаимосвязи микроструктуры и плотности состояний в сплавах на основе a-Si:H.
Исследование края поглощения гидрогенизированного аморфного кремния и сплавов на его основе представляет большой практический интерес в виду их использования в качестве активных слоев солнечных батарей и различных фотопрнемных устройств. Кроме того оптиче хие спектры, измерен-ные в области края содержат информацию как 0 межюнных оптических переходах так и об оптических переходах с участием локализованных состояний,
В связи с этим представляется актуальным исследование особенностей структуры, плотности электронных состояний неупорядоченных сплавов на основе a-Si:H и их оптических спекіров, измеренных н области края Пбглош*< ния.
В качестве объекта исследования были выбраны сплавы a-SiNr:H в широком диапазоне составов и слои a-Si:H, осажденные при повышенных скоростях роста.
Выбор пленок a-Si:H, полученных при высоких скоростях роста, в качестве объекта исследования обусловлен прежде всего тем обстоятельством, что соответствующие режимы осаждения обеспечивают получение материала с развитой микроструктурой т.е. с высоким содержанием пор, полигидридных комплексов и водородных кластеров. В то же время, как показали предварительные исследования и анализ литературных данных, использование подобных режимов осаждения в ряде случаев позволило получать слои a-Si:H с приемлемыми фотоэлектрическими характеристиками.
Интерес к сплавам a-SiNr:H, в свою очередь, вызван рядом причин. Во-первых, технология осаждения пленок a-SiNr:H из газовой фазы позволяет, изменяя состав исходной газовой смеси, получать слои в широком диапазоне значений оптическоіі ширины запрещенной зоны, что находит применение при изготовлении многослойных фоточувствительных структур для солнечных батарей. Кроме того, слабо изучена природа структурно-химической неоднородности этих материалов.
Цель работы. Установление взаимосвязи между структурными особенностями и распределением плотности электронных состояний вблизи краев зон и в запрещенной зоне сплавов на основе a-Si:11, определяющим край оптического поглощения.
Сформулированная выше цель работы предполагает решение следующих задач:
разработка методики идентификации структурно-химической неоднород
ности в сплавах a-SiN,:H; исследование особенностей структуры сплавов
a-SiNVH различного состава (как в пределах ближнего порядка, так и микроструктуры, связанной с примесями водорода и азота в Si матрице).
исследование края оптического поглощения сплавов a-SiNr'.H различного состава; выявление природы локализованных состояний в сплавах a-SiN,:H; установление взаимосвязи микроструктуры, обусловленной водородом и азотом и плотности состояний, определяющей край оптического поглощения.
исследование микроструктуры и спектров оптического поглощения пленок , осажденных при повышенных скоростях роста. Выявление законе-
мерностей, определяющих взаимосвязь состава, микроструктуры и оптических характеристик структурно-неоднородных Пленок a-Si:H.
Научная илянзна. I. С использованием комплекса экспериментальных методик (ИК-спектроскопия, просвечивающая электронная микроскопия, комбинационное рассеяние света, электронный парамагнитный резонанс) проведено исследование структуры сплавов a-S)N,:H различного состава (г=0,0 - 0,72). Предложен метод выявления структурно-химической неоднородности по ИК-слектрам этих материалов, основанный на использовании индукционной модели и позволяющий оценить состав локального окружения связен SiH в сплавах a-SiN,:H. '2. Как обобшенне результатов, полученных с помощью перечисленных выше экспериментальных методов построена модель микроструктуры a-Si:H и a-SiNt:H. Согласно этой модели основными компонентами микроструктуры a-Si.H являются зерна, обьем'которых содержит случайно распределенные моногидриды и границы зерен, для которых характерна повышенная концентрация SiH'- и клистерированных SiH- групп и дефектов. Изменения микроструктуры пленок при введении добавок азота обусловлены образованием связей SiN и NH на .границах зерен и уменьшением концентрации связей SiH.
-
Из сопоставления результатов исследования оптических спектров и особенностей структуры сплавов a-SiNi:H установлено, что конкретный ход зависимостей оптической ширины запрещенной зоны и показателя преломления от состава сплавов определяется микроструктурой пленок, связанной с водородом и итогом, которая, в свою очередь, зависит от условий получения. При этом развитой микроструктуре соответствует слабая чувствительность этих оптических характеристик к изменению содержания азота.
-
С использованием количественных крикриев, полученных из рассмотрения статистики угловых деформаций Si-ссткн, значения коюрых оцениваются на основе данных комбинационного рассеяния сві а, ПК- и оптической спектроскопии, установлена святи между угловым беспорядком и плотностью состояний хвоста валентной зоны сплавов a-SiNi:H. Обі тружено, что увеличение концентрации азота (*) от 0 до 0,17 приводит к уменьшению вклада микроструктуры в плотность состояний хвоста валентной юны.
-
Как следуч из результатов исследования микроструктуры слоев u-Si:ll, полученных при повышенных скоростях роста, пи пленки обладают .терние» той структурой с характерными раїмг-оами зерен 300 - 700 А и оіличіноіся
повышенным содержанием связей SiH в виде полигидридов и SiH-кластеров. Установлено, что оптическая ширина запрещенной зоны слоев a-Si:H слабо чувствительна к изменениям содержания связей SiH в виде по-лнгндридов и кластеров, а определяется концентрацией моногидридов, "растворенных" в объеме зерен. 6. Построена модель квантовых ям, в которой a-Si:H представляется как двухфазная система, гае узкозонную фазу образует материал объема зерен (a-Si), а широкозонную области межзеренных границ, содержащие повышенную концентрацию связей SiH. Показано, что чувствительность оптической ширины запрещенной зоны к изменению концентрации связанного водорода определяется размерами SiH - кластеров. В рамках данной модели определены характерные размеры водородных комплексов, соответствующие "растворенной" н "кластсрированной " формам связей SiH. Рассчитанные с помощью данной модели зависимости оптической ширины запрещенной зоны от концентраций SiH-связей в "кластерированной" и "растворенной" форме согласуются с экспериментальными данными.
Практическая значимость.
Результаты и выводы, сделанные в диссертационной работе в части исследования края поглощения сплавов на основе a-Si:H, использованы в серии научно-исследовательских работ при создании интегральных датчиков ультрафиолетового излучения, о чем свидетельствует соответствующий акт, приложенный к диссертации.
Установлены закономерности, определяющие изменение оптических ха
рактеристик структурно-неоднородных слоев a-SiH и a-SiN,:H с составом, ко
торые могут быть использованы при разработке технологии получения спла
вов на основе a-Si:H с заданными свойствами для фотоэлектрических приме
нений.
Как следует из результатов исследования края поглощения пленок
a-Si:H, использование методов осаждения материала из смеси
10% Зїїи+ЖЛНг в высокочастотном (13,56 МГц) разряде при повышенном давлении (130 - 260 Па) и из чистою SiR» в низкочастотном (55 кГц) разрялс, обеспечивающих высокие скорости роста слоев a-Si:H, позволяет получать материал, который по таким параметрам, как оптическая ширина запрещенной зоны и плотность локализованных состояний отвечает требованиям, предъявляемым к пленкам приборного качества.
Положення, выносимые на защиту,
-
Метод идентификации неоднородности состава сплавов a-SiN,:H по данным ИК-поглощения, основанный на использовании индукционной модели, согласно которой частота колебаний SiH-stretching определяется суммой эффективных электроотрицательностей ближайшего окружения связи SiH, что позволяет учесть состав среды в пределах нескольких координационных сфер.
-
Построенная на основе результатов исследования пленок a-Si:H и a-SINt:H методами ИК-спектроскопнн, просвечивающей электронной микроскопии, спектроскопии комбинационного рассеяния света и электронного парамагнитного резонанса модель микроструктуры a-Si:H и a-SiNr:H, основными элементами которой являются объем зерен, содержащий сравнительно невысокие концентрации случайно распределенных связей SiH, SiN и дефектов Si-сетки, и межэеренные границы, где концентрация примесей и дефектов повышена.
-
Экспериментальные критерии для количественного сопоставления углового беспорядка и плотности состояний хвостов зон в сплавах на основе a-Si:H, основанные на использовании данных КРС, оптической и ИК-спектроскопнн. Вывод об уменьшении вклада микроструктуры в плотность состояний хвостов зон сплавов a-SiN,:HnpH увеличении г от 0,0 до 0,17.
-
Закономерности, определяющие изменения оптических характеристик с составом в структурно-неоднородных сплавах на основе a-Si:H. Вывод о том, что оптическая ширина запрещенной зоны в структурно-неоднородных сплавах a-Si:H (a-SiNV:H ) не чувствитеньна к изменению концентрации связей SiH (SiN) по границам зерен, но зависит от концентрации примеси в объеме материала.
-
Модель квантовых ям a-Si:H, рассматривающая материал как двухфазную систему, в рамках которой оптическая ширина запрещенной зоны определяется концентрацией связанного водорода, размером водородных кластеров и характером их распределения.
Апробация работы. Результаты, представленные а диссертации, докладывались на следующих конференциях: Ш-я Всесоюзная конференция "Физические основы надежности н деградации полупроводниковых приборов" (г.Клшіінев, 1991г.); Л-я Республиканская научно-техническая конференции "Фг ико-химические основы получения и исследования полупроводниковых материалов в твердом и жидком . состоянии". (Таджикистан, г. Куляб 1992 г.); конференции международного исследовательского общества
MRS (США, г. Бостон, 1993 г., г. Сан-Франциско, 1996 г.); межвузовская научно-техническая конференция "Микроэлектроника и информатика" (г. Москва, МИЭТ 1995 - 1996 г.г.); VII-я Всероссийская научно-технической конференции "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" (Датчик - 95) (Крым, 1995г.); международная конференция "Физические проблемы материаловедения полупроводников" (Украина, г. Черновцы, 1995 г.); всероссийская научно-техническая конференция "Электроника и ' информатика" (г. Зеленоград, 1995 г.).
Публикации. По материалам, изложенным в диссертации, опубликовано 18 печатных работ, включая оригинальные статьи в отечественных н зарубежных журналах и доклады на конференциях.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов по работы и содержит 136 страниц машинописного текста, .8 таблиц, 63 рисунка и список литературы из 152 наименований.
