Введение к работе
Актуальность темы. Аморфные гидрогенизировзнкые полупроводники в поехиднее десятилетие прочно вошли в арсенал материалов современной электронной техники. Наиболее утвердившиеся позиции эти материалы завоевали в индустрии прямого фотоэлектрического преобразования солнечной энергии и в оптоэлектронике в качестве транзисторних матриц упраьления кидке—кристаллическими трехцветными плоскими ТВ экранами. Известен и ряд других важнейших приложений, таких как фотссенооры" видимого диапазона, линейные считывающие фоточувствительные регистры на основе диодов Шоттки и
. др.. Базовым объектом класса аморфных гидрогенизированных полупроводников является аморфный кремний а - $1:Н. Его спутниками в области меньших ширин зон - аморфный германий, в области больших зон - сплавы кремний-углерод и'аморфный углерод.
В последние годы все больший интерес проявляется не только к "чисто" аморфным пленкам, но и к так называемым микрокристаллическим ( уус) слоям, а также смешанным (a-t-yUc) фазам. Слои yuc и (a+/acj в микроструктурном плане состоят из сверхмалых до (L00 А) кристаллических образований, плотно увязанных аморфными прослойками, при этом смешанные фазы характеризуются меньшей суммарной плотностью кристаллов в аморфной матрице. Экспериментальные исследования оптоэлектронных свойств таких материалов показали ряд интересных свойств, так,например, рост ширины запрещенной зоны для определенных микроструктурнкх модификаций и высокую эффектиность легирования.
Материалы - спутники аморфного кремния, в том числе и микрокристаллические, из учены в значительно меньшей степени, чем а -SL:H. Не решены и многие проблемы их технологии. С другой стороны, эти материалы чрезвычайно важны и как самостоятельные с отличной шириной зоны, так и как гетеропары к аморфному кремнию. В свете сказанного г-одача исследования этих материалов представляется актуал* ой. В настоящей диссертации внимание сосредоточено на широкозонинх материалах: это система аморфных сплавов а - SL-^C^H и /"-c-l:H.
Цель работы. Целью работы является разработка технологии получения тонкопленочных материалов с - Ы1_ХС„:Н при х=Ю+1.0 и /*с -Si :Н, исследование их оптических и фотоэлектрических свойсіл. создание активных р - I - п структур на основе этих матпридчов.
- 4 -исследование механизма токсперекоса в структурах и применений в оптоэдектронике.
Объект исследования. Объектом исследования являются аморфные гидрогенизированные сплаЕЫ a -Slj__xCx:H в диапазоне изменения X от 0 до 1.0 и микрокристаллические фазы /*-с -SL:H. Объектами исследования являются активные приборные структуры на основе перечисленных матерналов - р - I - п-структуры, инжекцнонные светсдиоды и фотоиреобразоаэтели.на основе этих структур.
Задачи исследования г новизна. В соответствии с поставленной задачей решались следующие основные задачи:
-
Разработка технологии получения аморфных сплавов а — Sir-xQe-H. Эта задача включает оптимизацию многопараметрического технологического процесса с целью достижения приемлемых оптоэлектротшх характеристик материалов.
-
Разработка технологии получения микрокристаллических
де - Si. :Н. Эта технология предусматривает применение саециаль-ного метода сверхсильного разбаЕления реактивных газов водородом, Плазкохимический процесс при этом приобретает новые черты.
-
Характеризация тонкопленочных материалов. Эта задача предполагает измерения оптического поглощения с целью оценки ширины зоны, фотолшинесцентннх и фотоэлектрических свойств,
-
Создание приборных структур. Имеются в виду структуры со встроенным потенциалом,'наличие которого обеспечивает инжекционные и фотовольтажческие свойства. Простейшие структуры со встроенный потенциалом - это структуры типа р - I - и, где р - а - п-легированные мои с дырочной и электронной проводимостью. Следовательно, необходимо отработать технологию легирования в р- и п-тип.
-
Исследование инжекционных свої:тв структур и анализ механизма переноса тока в р- і -п-переходах на базе а- и /j-c- материалов.
-
Исследование оптоэлектронннх электродюишнесценткых и фотовольтаических свойств р- L-ц-структур.
Все вышеперечисленные позиции, составляющие основное содержание диссертации, являются новіші, практически почти не изученными направлениями в области аморфных полупроводников А , и это обстоятельство и определяет новизну данной работы-
Основные результати и практическая ценность работы.
-
Разработан метод двухмодового возбуждения плазменного разряда в смеси реактивных газов силан-метан. Применены частоты 13.56 и 70 МГц. Показана эффективность ультравысокочастотного плазменного разряда в магнитном поле для диссоциации и ионизации газовой смеси из кодаонентов с различными коэффициентами диссоциации смеси силан-.летан, силан-водород , что позволило получить непрерывный ряд твердых растворов в системе гидрогенизиро-ванный аморфный крамний - гидрогенязированный аморфный углерод.
-
Методом водородного разбавления получены микрокристаллические слои гидрогенизированного кремния /^с - -St :Н. Установлены конкретные технологические режимы метода водородного разбавления для указанных материалов.
-
Изучены оптические и фотолгаинеспентныа свойства гидрогени-зированных аморфных и микр кристаллических тонких пленок
а - Sl|-xcx:H, ^с - S:- :Н.
"Показано, что оптическая ширина запрещенной зоны в сплавах а - Si|-xCx:H 'монотонно увеличивается по мере обогащения сплава углерода от 1,7 эВ до 3,6 эВ. Спектры стационарной фотолюминесценции сплавов широкозонных а -51кхСх:Н перекрывают видимый диапазон и могут наблюдаться при комнатной температуре. Для фотолюминесцєнтного излучения этих сплавов характерен стоксов-ский сдвиг.
Показано, что оптическая ширина зоны в ^с - $>ь :Н до сравнению с Е^ в а - S.i :Н увеличивается до 2,0 эВ. Спектр осн:вного пика фотолюминесценции /*с - материала практически не имеет стоксовского сдвига. Излучение носит краевой характер.
-
Установлено, что методика глубокого водородного разбавления, т.е. при содержании реактивной смеси в водороде менее 5%.позволяет получать пленки р- и п- типа проводимости, если в качестве реактивной смеси используются композиции 2% ^Щ + 98?[(SLH^,^-(CH4)y] и 1% PHg + 99Si Н^.у+ССН^у] , соответственно. При атом в силу того, что эффективность легирования падает с ростом у , продельные максимальные значения у для получения слоев р- и п-типа не должны превышать 0,3.
-
Получены р-1 -п-структуры на основе составов системы
а - Si.|-XCX:H со значением X - 0 - 0,6 и р -I -п с і -слоем на
оонове /uc - So :Н.
-
Для оплавог системы а - Sli->CX:H разработаны структуры о горячими носителями тока типа рДсп и рДіДп, где Д - туннельный диэлеи'рик на основа а - SUos Can :Н.
-
Изучены иккакционные характеристики р - і. - п-структур на оонове аморфных и микрокристаллических слоев. И в первой и во втором случае токоперенос описывается туннельным механизмом, однако физическая природа для туннельного переноса для разных групп материалов оказывается различной. Для структур на основе аморфных слоев ВАХ определяется контактными процессами. Для структур на основе микрокристаллических слоев эффект туннели-рования скорее связан с прослойками аморфной фазы мекду микрокристаллами.
-
Для р -1 - п структур на основе широкозонных аморфных оплввов обнаружен светодиодный эффект. Излучение в видимой об-лаотя » прямом смещении наблюдается при пороговых токах порядка 100 мА/ом2.
-
Обнаружен эффект ннжекционной электролюминесценция в
р -L- п-структурах с микрокристаллическим слоем а - Si:H. Показано, что излучение является меязонным по природе. Высказано предложение, что излучение связано с оптическими переходами в объеме возбужденных малых кристаллических кластеров кремния.
10. Изучена работа "аморфных" и "микрокристаллических"
р -L - п-структур в фотовольтаическом режиме. Показано, что эффективность преобразования для структур на основе системы а - Sli-xCx :Н . падает с ростом X. Для сплавов этой системы характерен дрейфовый механизм собирания носителей тока.
Показано, что эффективность собирания в "тонких" р -L- п-структурах на основе /ю - Si, :Н может приближаться к 1.
Практическая ценность результатов работы состоит в том,.что получены новые полупроводниковые тонкоплекочные материалы,совместимые технологически с кремниевой электроникой, которые об-. ладают свойствами ,представляши.<и интерес для приборов видимого диапазона:.фотоприемников-и-светодиодов. .
Научные положения, выносимые на зашиту.
1. Метод двухмодового возбуждения плазмы в плазмохимическом реакторе для получения аморфных материалов сложного состава и микрокристаллических материалов путем плазмохимического разло-
- 7 _
аения смеси реактивных газов, например, силана и метана или омеси силан-водород, различающихся коэффициентом диссоциации. Метод предполагает одновременное использование частот возбуждения 13.56 МГц и 70 МГц. Метод реализован по отношению к аморфным сплавам системы а - Sti-xCy:H и микрокристаллическому кремнию /*-с - SL :Н.
-
Экспериментальное исследование и оптимизация технологических режимов метода водородного разбавления для получения микрокристаллических слоев /±с - Sl:H.
-
Результаты по исследованию оптических и фотолюмінесцентних свойств широкозонных аморфных сплавов а - St(-x Сх:Н и микрокристаллических материалов /*о - &ь :Н. Главные из них:
1)монотонный рост ширины зоны в аморфных сплавах с ростом содержания углерода, 2) увеличение Еа в гидрогенизированном кремнии при переходе от аморфной модификации к микрокристаллической, 3) мекзонннй характер переходов в микрокристаллическом кремнии.
-4. Экспериментальное определение условий легирования оплавов Sii-xCyiH при X »= 0 + 0,6 в условиях водородного разбавления и создание р -1- п-структур как на основе аморфных, так и микрокристаллических собственных слоев этих сплавов.
5. Туннельный характер механизма токопрохождения в р -I - п-
структурах.-При этом для "аморфных" р -I- п туннельный механизм
ассоциируется с туннельными процессами на интерфейсах p/i и
і/й или р/Д/1 и l/Д/п, где Д - туннэльнопрозрачный диэлектрик.
Лля р -і- п-структур с /и.с - I- слоем туннельный характер MX предположительно связан с тунвелированием через тонкие прослойки аморфной фазы между микрокристаллитами.
6. Наблюдение и характеризация светодиодного эффекта обуслов
ленного ИНЖеКЦИОННОЙ ЭЛеКТрОЛЮМИНеСЦеНЦИеЙ В ШИрОКОЗОННЫХ P -1-11-
структурах на a -Slbxcx:b-
-
Обнаружение инжекционной электролюминесценции в р -L- п-структурах на основе микрокрис-тплических слоев ^о - Ы :Н. Подтверждение межзонного характера наблюдаемой электролюминесценции "голубой сдвиг" межзонного излучения связан с ушрением зоны в микрокристаллической фазе гидрогениэированного кремния как по отношению к аморфному, так и кристаллическому кремнию.
-
Экспериментальное наблюдение и описание закономерностей ия-
-8-. менения фотовольтаического эффекта вр - і - и-структурах на а - Sl|-xC)<:H и у"С - St :Н. Дрейфовый механизм собирания неравновесных носителей в фотодиодных структурах на а - Sii-xCx:H при X ^ 0,6.
Апробация работы. Основные результаты работы трижды докладывались на семинарах ФГИ им.А.Ф.Иоффе РАН и на Мендународной конференции со пшшкристаяличесним полупроводникам Poyse » GaK'j Птбликади^ Do результатам выполненных исследований опубликовано 4 работы, список которых праведен в конце автореферата. Структура и объем диссертации, диссертация состоит из четырех глав, первая из которых вводная, заключения, содержащего выводы по диссертации в целом, списка литературы. Общий объем диссертации составляет 163 страниц, включая 78 рисунков, 4 таблицы,Список цитированной литературы насчитывает 120 наименований.Похожие диссертации на Получение аморфных и микрокристаллических тонко-пленочных материалов a - Si1-xCx:H, мс - Si:H и исследование свойств пленок и приборных структур на их основе
