Особенности структуры и крайоптического поглощения в сплавах на основе альфа-Si:H Стряхилев, Денис Андреевич

Введение к работе

Актуальность работы. Широкое применение аморфного тидрогеннзиро-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 прямыми оптическими переходами, и хорошей фоточувствительностью. 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 представлення, 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 і раніш, класі ерированкых 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 гидрогенизнрованного аморфного кремния и сплавов на его основе представляет большой практический интерес в виду Их использования в качестве активных слоев солнечных батареи И раз* личных фотоприемных устройств. Кроме того ОПтиче *не спектры, измеренные в области края содержат информацию как О межЗоннЫх оптических переходах так и об оптических переходах с участием локализованных состояний.

В связи с эгнм представляется актуальным исследование особенностей структуры, плотности электронных состояний неупорядоченных сплавов ltd основе a-Si:H и их оптических спектров, измеренных в области края поглоше* ння.

В качестве объекта исследования были выбраны сплавы a-SiNr:H в широком диапазоне составов и слон 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-SiN_r:H, в свою очередь, вызван рядом причин. Во-первых, технология осаждения пленок a-SiN_r:H из газовой фазы позволяет, изменяя состав исходной газовой смеси, получать слои в широком диапазоне значений оптической ширины запрещенной зоны, что находит применение при изготовлении многослойных фоточувствительных структур для солнечных батарей. Кроме того, слабо изучена природа структурно-химической неоднородности зтих маїериалов.

Цель работы. Установление взаимосвязи между структурными особенностями и распределением плотности электронных состояний вблизи краев зон и в запрещенной зоне сплавов на основе a-Si:H, 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-SiN_r:H рагтичного состава (как в пределах ближнего порядка, так и микроструктуры, связанной с примесями водорода и азота в Si матрице).

исследование края оптического поглощения сплавов. a-SiNVH 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 a-Si:H, осажденных при повышенных скоростях роста. Выявление законо-

мерностей, определяющих взаимосвязь состава, микроструктуры и оптических характеристик структурно-неоднородных Пленок a-Si.H.

Научная новизна. I.C использованием комплекса экспериментальных методик (ИК-спектросконня, просвечивающая электронная микроскопия, комбинационное рассеяние света, электронный парамагнитный резонанс) проведено исследование структуры сплавов a-SiN,:H различного состава (г=0,0 - 0,72). Предложен метод выявления структурно-химической неоднородности по ИК-спектрам этих материалов, основанный на использовании индукционной модели и позволяющий оценить состав локального окружения связей SiH в сплавах a-SiNc.H. ' 2. Как обобщение результатов, полученных с помощью перечисленных выше экспернментачьных методов построена модель микроструктуры a-Si.^-U и a-SiNr'.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 кластеркрованкых SiH- групп и дефектов. Изменения микроструктуры пленок при введении добавок азота обусловлены образованием святей SiN и NH на .границах зерен и уменьшением конценграшш связей SiH.

1. Из сопоставления результатов исследования оптических спектров н особенностей структуры сплавов a-SiNt:H установлено, что конкретный ход зависимостей оптической ширины запрещенной зоны и показателя преломления от состава сплавов определяется микроструктурой пленок, связанной с водородом и азотом, которая, в свою очередь, зависит от условий получения. При этом разлитой микроструктуре соответствует слабая чувствительность этих оптических характеристик к изменению содержания и юга,

2. С исполыованнем количественных критериев, полученных из рассмотрения статистики угловых деформаций Si-сспсн, значения коюрых оцениваются ни основе данных комбинационного рассеяния св. а, ПК- и оптической спектроскопии, установлена связь между угловым беспорядком и плотностью состояний хвоста валентной зоны сплавов a-SiN,:ll. Обі тружено, что увеличение концентрации азота (г) от 0 до 0,17 приводит к уменьшению вклада микроструктуры в плотность состояний хвоста вален ской юны.

3. Как следуїм из результатов исследования микроструктуры слоев a-Si;li, полученных піні повышенных скоростях роста, ни пленки обладают терние* гой структурой с характерными риші'оами зерен 300 - 700 А и отличаются

повышенным содержанием связей SiH в виде полигидридоа и SiH-кластероа. Установлено, что оптическая ширина запрещенной зоны слоев a-Si:H слабо чувствительна к изменениям содержания связей SiH в виде полигидридов и кластеров, а определяется концентрацией моногидридов, "растворенных" в объеме зерен. 6. Построена модель квантовых ям, в хоторой a-Si:H представляется как двухфазная система, где узкозонную фазу образует материал объема зерен (a-Si), а широкозонную - области межзерениых 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, соответствуюшие "растворенной" н "кластерированной " формам связей SiH. Рассчитанные с помощью данной модели зависимости оптической .ширины запрещенной зоны от концентраций SiH-связей в "кластерированной" и "растворенной" /рорме согласуются с экспериментальными данными.

Практическая значимость.

Результаты и выводы, сделанные в диссертационной работе в части исследования края поглощения сплавов на основе a-Si:li, использованы в серии научно-исследовательских работ лрн создании интегральных датчиков ультрафиолетового излучения, о чем свидетельствует соответствующий акт, приложенный к диссертации.

Установлены закономерности, определяющие изменение оптических характеристик структурно-неоднородных слоев a-SiH и a-SiN_r:H с составом, которые могут быть использованы при разработке технологии получения сплавов на основе a-Si:H с заданными свойствами для фотоэлектрических применений.

Как следует из результатов исследования края поглощения пленок
a-Si:H, использование методов осаждения материала из смеси

10% SiH4+90%H2 в высокочастотном (13,56 МГц) разряде при попышенлом давлении (130 - 260 Па) и из чистою SiHj в низкочастотном (55 кГц) разряде, 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,

1. Метод идентификации неоднородности состава сплавов a-SiN_t:H no 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.

2. Построенная на основе результатов исследования пленок a-Si:H и a-SiNr'.H методами ИК-спектроскопнн, просвечивающей электронной микроскопии, спектроскопии комбинационного рассеяния света и электронного парамагнитного резонанса модель микроструктуры a-Si:H и a-SiK:H, основными элементами которой являются объем зерен, содержащий сравнительно невысокие концентрации случайно распределенных связей SiH, SiN и дефектов Si-сетки, и межзеренные границы, где концентрация примесей и дефектов повышена.

3. 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-спектроскопни. Вывод об уменьшении вклада микроструктуры в плотность состояний хвостов зон сплавов a-SiK:H при увеличении г от 0,0 до 0,17.

4. 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-SiNr'.H ) не чувствительна к изменению концентрации связей SiH (SiN) по границам зерен, но зависит от концентрации примеси в объеме материала.

5. 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 в диссертации, докладывались на следующих конференциях: Ш-я Всесоюзная конференция "Физические основы надежности и деградации полупроводниковых приборов" (г.Кишинев, 1991г.); Н-я Республиканская научно-техническая конференции "Фг нко-химическне 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.); VU-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 и зарубежных журналах и доклады на конференциях.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав,
основных результатов и выводов по работы и содержит 136 страниц машино
писного текста, 8. таблиц, 63 рисунка и список литературы из 152 наимено
ваний.