Введение к работе
_4кту_алшдсть_т9мы. Существующие с конца 70 -х годов технологические метода позволяют получать слои аморфного гидрированного кремния (a-sisH) с низкой плотностью локализованных состояний ( л.с.) в щели подвижности ( N ~ 10 -
тс т _*з J1^
10 эВ см ) и эффективно легировать их. В практических
целях широко применяются слои аморфного гидрированного карбида кремния (a-si«C:H). Например, в гетероструктурах они используются как полупроводники с большей относительно "чистого" аморфного кремния шириной запрещенной зоны. В
НаСТОЯЩее ВреМЯ ЭЛеКТрОфИЗИЧеСКИе СВОЙСТВа a- Si:H и
a-SiiCsH пленок достаточно хорошо изучены. На основе ЭТИХ материалов разработаны эффективные фотопреобразователи, тонкопленочные полевые транзисторы и др. приборы. Наибольшие успехи достигнуты в создании солнечных батарей, изготовление которых осуществляется в промышленном масштабе.
Базовым элементом фотопреобразователя является р-і-п или БШ (с барьром Шоттки) диод. Возможности практического использования структур данного типа не исчерпываются солнечной энергетикой. В последние годы появились публикации, свидетельствующие о значительных усилиях различных групп . направленных на создание детекторов а-, р-, 7_ квантов, нейтронов, протонов, рентгеновского излучения на основе
a- Si:H- ПЛвНОК Г I 1.
Разрабатываемые устройства предназначены для регистрации высокоэнергетинных частиц, в частности, электронов с энергией 1-3 МэВ. В этом плане энергетический диапазон от единиц до нескольких десятков кэВ ( т.н. кэВ- диапазон) изучен существенно меньше. Большинство работ посвящено исследованию изменений фотопроводящюс свойств собственных слоен аморфного кремния под действием электронного пучка. В части публикаций рассматриваются проблемы создания устройств памяти, п которых запись информации осуществляется посредством облучения отдельных областей пленки » -St :1t электронным пучком большой интенсивности.
Необходимо отметить недостаточную изученность ряда вопросов, связанных с детектированием ионизирующего облучения . Так, обращает на себя внимание большой разброс результатов измерений энергии образования электронно- дырочной пары є в аморфном кремнии, приводимых разными авторами [2,3]. Практически не исследовалась возможность функционирования диодов на основе a-sx:H пленок в режиме прямого преобразования энергии электронов кэВ- диапазона.
Введение углерода в пленку аморфного кремния позволяет получить более широкозонный материал. Можно ожидать,
ЧТО СТРУКТУРЫ На ОСНОВе a-Si:C:H- СЛОЄВ, ПрвОбраЗУВДИв ЭНвр-
пго электронного потока, позволят получить и большие ( ПО сравнению с безуглеродными) напряжения холостого хода. Влияние изменения содержания углерода в a-si:C:H пленке на параметры преобразования энергии электронного потока структурами, в которых эти пленки используются в качестве базовых, до сих пор не изучалось.
Вместе с тем, преимущества тонкопленочной технологии обусловливают перспективность создания эломентов, преобразующих в электрический ток энергию р- распада веществ, на базе слоев аморфного кремния. Во- первых, формирование многослойных структур дает принципиальную возможность достижения высокой удельной мощности преобразования ( мощности, отдаваемой в цепь нагрузки единицей преобразующего объема). Во-вторых, существование пленочных источников, испускающих низкоэнергетичные электроны ( например, насыщенная тритием пленка титана с максимумом спектра испускания, находящимся в области 5 кэВ с 4 ] ), позволяет надеяться на создание компактных, автономных источников тока, практически безопасных в радиационном отношении. Тонкопленочные приемники низкоэнергетичных электронов, сформированные на гибкой подложке большой площади, могут успешно использоваться в медицинских целях. Таким образом, практические аспекты проблемы преобразования энергии р- излучения в электрический ток с помощью структур на основе аморфного кремния также свидетельствуют -j необходимости экспериментальных работ в данном
направлешга.
_Оснотзнм_цель настоящей работы заключалась в изучении возможности преосразовашія энергии потока низкоэнергетичных электронов ( диапазон 3- 35 кзВ) структурами на основе а-si:H- и a-si.-c:H-. слоев и определении параметров преобразования; В моделировании рабОТЫ a-Si:H И a-Si:C:H- Структур В
условиях низкоэнергетичного электронного облучения малой интенсивности; в определении обеспечиваемого ими коэффициента размножения генерированных электронным пучком неравновесных носителей заряда; в определении энергии образования электронно- дырочной пары в аморфном кремнии.
В результате проделанной работы были получены следующие н25У_нау.чны0_розу_льтаты.
-
Определены параметры преобразования электронного потока ( энергетический диапазон 3-35 кэВ) барьерными структурами на основе гидрогенизированных пленок аморфного кремния. Установлены величины энергий падающих электронов, при которых поверхностная рекомбинация заметно влияет на раооту преобразователей.
-
Установлено, что использование углеродосодержащих пленок аморфного гидрированного кремния в качестве собственного слоя p-1-n - диодов повышает устойчивость этих элементов к воздействию электронного облучения, не приводя к изменению к.п.д. преобразования электронного потока.
-
Определено, энергия образования электронно -дырочной пары в arrapIsioM гидрированном кремнии с плотностью локализованных состояний в щели подвижности ~ 8*10 - 2*10 эВ" си" н величиной параметра ці для неосновных носителей (дырок), равной IU'8- Ш~Э смА7В.
_ПолоконияА_выноош:;но _нэ _защиту__ 1. Ніфіерпио структуры на осново л-ні:н, работающие n реіглме прямого преобразования энергии электронного потока кэВ- диапазона і. энергия падениях электронов меняется от 3 ЛР ЗЬ кэВ;, фу)ікцисішруют наиболее эфтектлтю при оолучошш их электрон;'?.;;; с ;л,орп:я'.'и 7-І! коВ. U і.'.ат-'симумв спектральной ч.увсті'!їТ'.-лі.п,.'-г:ті! cTpvKT.vru коэффициент умножения досі'и-
гает величины q є 600, к.п.д. преобразования составляет - 1%. Использованные пленки аморфного кремния имели плотность локализованных состояний в щели подвижности ~ 8*10 -2*10 эВ см и величішу параметра ит для неосновных носителей (дырок), равную 10,- Ю-9 сиг/В.
2. Использование углеродосодержащих пленок гидрированного аМОрфНОГО КреМНИЯ (a- Si С :Н С х= О - 0,1) ГОЗ-
воляет создавать iTpeo6pa30BaTejm электронного потока ( Г1ЭП ) с большими напряжениями холостого хода, возрастающими в 1,5 раза по мэре увеличения относительной концентрации углерода в пленке. По к.п.д. карбидосодоржащие структуры не уступают их безуглвродным аналогам.
3. Моделирование процесса собирания заряда, генериро
ванного потоком кэВ- электронов низкой интенсивности (10 -
ТТ —2 —т
10 ЭЛ*СМ * С: L) В ТОНКОШіЄНОЧННХ а-5і:Н ИЛИ a-Si:C:H-
структурах, осуществленное на основе гтродставлений, развитых при анализе работы a-si:H солнечных элементов, адекватно описывает функционирование преобразователей электронного потока. Для вычисления скорости генерации электронно- дырочных пар можно применять соотношения, использукщюся с этой целью в случае "кристаллических" преобразователей.
-
Из сопоставления экспериментальных к теоретических результатов следует, что энергия образования электронно- дырочной пары в аморфном кремнии, качество которого позволяет изготавливать ПЭП с к.п.д. -IX, составляет 8 ± I эВ.
-
На ОСИОВе a-Si:H ИЛИ a-Si:C:H - барЬЭрНЫХ CTpyKTJ'p
возможно создание автономных источников питания , преобразующих энергию р- излучения. Использование тонкопленочішх (3-излучателэй, представляющих собой пленку титана, насыщенную тритием, позволяет получить к.п.д. преобразования электронного потока порядка одного процента. _ОЕЭКТИческая_зночимость j2afo|H_ 1/ Определены толщины собственных и легированных областей барьерных структур на основе a-SirH, обеспечивающих &:;фук-тиьное преобразование электрошюго потоки. Показано, что для изготовлегаь. преобразователей электронного потоп не три -
буется внесения каких- либо принципиальных изменений в технологию производства солнечных элементов на основе аморфного кремния.
2/ Показана возможность создания автономных источников
ПИТаНИЯ На ОСНОВв a-5i:H ИЛИ a-Si:C:H-барЬвріШХ Структур,
преобразующих энергию р- излучения в диапазоне 3-35 кэВ. Проведено исследование характеристик преобразователей электронного потока в широком диапазоне энергий падащих электронов и уровней возбуждения.
_АпроОация_рабдты4 Результаты работы докладывались на I Всероссийской конференции по физике полупроводников (Н.Новгород, 1993), на межотраслевой конференции по разработке и освоению аморфных материалов ( Москва, 1992), на 4
МЭВДУНарОДНОЙ Конференций EPMS'93 ( Sheffield, UK, 1993 ).
_Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 научных работ, список которых приведен в конце автореферата. _0<*ьм_работы.1 Диссертация состоит из введения, четырех глав и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации равен 161 странице, из них ІОБ страницы текста, 34 страницы рисунков.Список цитируемой литературы составляет 122 наименования.
