Трансформирование неупорядоченной структурной сетки и влияние примесей на свойства пленок аморфного гидрированного кремния Мездрогина, Маргарита Михайловна

Введение к работе

Аморфный кремний привлекает внимание физиков-теоретиков и экспериментаторов как модельный материал при исследованиях явлений в системе порядок-беспорядок. Введение водорода в неупорядоченную структурную сетку аморфного кремния заложило основу для исследований нового класса полупроводниковых материалои-аморфных гидрированных тетраэдрически-координированных полупроводников. Сообщение D.С.Спира и П.Ле Комбера о возможности получения аморфного кремния с контролируемыми типами проводимости п или р-типа в результате легирования фосфором или бором явилось следующим этапом в привлечении внимания как физиков-теоретиков . так и экспериментаторов к данному классу полупроводников .поскольку наметились практические перспективные области применения данных материалов : в качестве конструкционных при создании ислого ряда электронных приборов - фотопреобразователей . полевых транзисторов . мишеней видиконов , для изготовления электрографических барабанов и т.д.

Исследования фотоэлектрических параметров пленок a-Si:H в ультрафиолетовой области спектра привели к созданию тонкопленочных фотоприемников и устройств для ультрафиолетового диапазона спектра. Токовая чувствительность структур на основе a-Si:H в диа -пазоне энергий 4,88 ^:6,0 эВ оказалась выше .чем у фотоприемни -ков на поверхностно-барьерных структурах Аи - GaAs₍._x- Р_к , Аи - GaAl_x- Агч_, .

Изучение механизма легирования пленок аморфного гидрированного кремния металлическими примесями , в том числе редкоземельными металлами ( на примере Er ,Dy ), привело к получению качественно нового материала с возможным;использованием его в качестве светоиз-лучательного элемента для световолоконной оптики .

Несмотря на увеличивающееся число примеров использования пло -нок a-Si:H при создании разнообразных приборов до сих пор остаются актуальными проблемами поиски эффективных методов управления параметраїли пленок . уменьшения числа их дефектов и что особенно важно - увеличения стабильности параметров пленок .

Для вышеперечисленных областей практического использования . для фундаментальных исследований необходим полупроводниковый материал с воспроизіюдчмнми параметраїли , с минимально-возможной величиной концентрации дефектов , с минимально-возможной r.-t.-личи-

- 4 -ной плотности локализованных состояний в щели подвижности g(e),co стойкостью к воздействиям интенсивной засветки .радиационным воздействиям ,окружающей среды .

Чувствительность пленок a-SI:H к изменениям технологических параметров во время осаждения оставляет актуальной проблему управления свойствами данного материала в процессе его полунения, т.е. нахождение корреляции в ряду : осаждение - структура-параметры слоя - характеристики прибора. Известны два пути управления концентрацией дефектов в процессе получения : варьирование техно-гических параметров и слабое подлегирование бором с целью изготовления пленок с " собственным " типом проводимости .

Вопрос организации структурной сетки-взаимодействия кремний -кремниевой и кремний-водородной подрешеток. соотношения суммарного содержания водорода и типов связей водорода с кремнием целесообразнее всего решать путем варьирования технологических параметров осаждения , создания экологически чистых методик .

Постановка настоящей работы определялась как необходимость» получения материала с воспроизводимыми параметрами при минимально достижимой концентрации дефектов, гак и необходимостью исследования влияния числа и типа дефектов как на параметры слоев, так и приборов , созданных на основе полученных слоев.

Исследование механизма легирования связано с необходимостью повышения доли электрически-активной примеси, повышением эффективности легирования, с привлечением нового класса легирующих материалов . не использованных ранее для a-Sl:H , РЗМ , в частности .

Проблема осаждения- слоев a-SI:H на ыатералы с существенно -отличной постоянной решетки (например,теллурид кадмия) обуславливает исследования процессов осаждения пленок с минимальными напряжениями в неупорядоченной структурной сетке .

Цель работы :

основная цель представляемой работы состояла в разработке технологии осаждения аморфного и микрокристаллического материала с минимальным числом дефектов, с минимальной плотностью локализованных состояний в щели подвижности .с однородной микроструктурой, с упорядоченной структурной сеткой , с максимально возможными ве-

личинами удельных сдвигов носителей заряда -(;;, и f.»t)„ . п исследовании механизма легирования , d разработке технологии нанесения многослойных структур,d создании приборов на основе полученного материала. В качестве объекта исследований использовался аморфный гидрированный кремний в связи с широким использованием данного материала при создании целого ряда электронных приборов . Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решался следующий комплекс задач: исследование процессов протекания гомогенных реакций в условиях высокочастотного разряда , исследование протекания гетерогенных реакций на поверхности растущей пленки , определение вероятности протекания процессов гетерогенного катализа ,

исследование влияния обработки в атмосфере атомарного водорода на параметру полученных пленок,

разработка технологии осаждения пленок с минимальным числом дефектов .определение влияния технологических параметров на концентрацию и тип дефектов ,

создание метода полевого воздействия на характер протекания реакций в условиях высокочастотного' разряда,

разработка принципиально новой технологии проведения процессов распыления

разработка технологии легирования редкоземельными металлами,

исследование фотоэлектрических , оптических , люминесцентных свойств полученных материалов,

-оценка влияния параметров полученных материалов на характерне -тики созданных на их основе приборов : фотопреобразователей , датчиков излучения , мишеней видиконов . Научная новизна представляемой работы : определяется использованием новых принципов в управлении гомогенными реакциями, протекающими в условиях высокочастотного разряда, комплексным подходом к изу юнию фотоэлектрических , оптических параметров полученных материалов с использованием различных методов не применявшихся ранее для исследований a-Si:H'- эффект Мессбау-ара , ультрамлгкоя рентгеновская эмиссионная спектроскопия.

Положения,выносимые на защиту:

Положение 1 : Степень разупорядочения структурной сетки a-Si:И , изменение числа оборванных связей .соотношение концентраций моно-к д:гидридам кремния определяют плотность состояний кап в " хвосте "_ зоны пройодимости , так и в середине щели подвижности. Изменение каждого из вышеперечисленных факторов - числа оборванных связей , величины отношения моно- к дигидридаы .суммарное содержание водорода-ме является решающим в перемещении уровня Ферми , хотя концентрация дефектов, а,следовательно, величина р,(єі, могут меняться .

Положение 2: Трансформация неупорядоченной структурной сетки может быть достигнута при полевом воздействии на характер протекания гомогенных реакций в условиях высокочастотного разряда в си-лано-содоржащей газовой смеси .Реализация инверсии типа проводимости, получение п,і,р типов - без введения легирующей примеси позволяет создать экологически чистую технологию осаждения пленок a -Si:H , приборов на их основе,с заданными и воспроизводимыми параметрами- .

Положение 3 : Варьирование положения уровня Ферми в щели подвижности в пределах / с,, - c_f / = 0,50 1,10 зВ достигается без специального легирования , используя эффект " модифицирования " , " псевдолегирования " . Величина сдвига уровня Ферми после --.асветки зависит от его „первоначального положения : у "собственных " a-Si: Н пленок, имеющих / с_с - c_f / = 0,80 ^; 0.90 эВ , основное состояние оборванных связей - Д¹ -эффект минимален, имеющих основное состояние оборванных связей - Д - / _с - ( / < 0.8 эВ - составляет 0.2 ^: 0,3 эВ -обычный эффект Стаблера

-ВрОНСКОГО , У ПЛеНОК , ИМСЮЩИХ ОСНОВНОе СОСТОЯНИе Д' - / Г._с - Ef /

> 0,90 эВ наблюдается " аномальный " эффект Стаблера - Вронского -сдвиг уровня Ферми к зоне проводимости .

Положение 4 : На основе данных микроструктурных исследований ,импульсной фотолюминесценции при энергии квантов больше ширины щели подвижности пленки с" собственным"типом проводимости . полученные в тетрадной системе .имеют однородную микроструктуру. При толщине d> О, З мкм обладают фоточувствительностью в ультрафиолетовой области спектра . Плотность состояний пленок в щели подвижности , иамерянная различными методиками , не превышает (2 ^: 3 ) 10' .-П 'си '"'' , а величины (цг)_р = (дт),, .

Положение 5 : При легировании бором пленок a-Si:ll плотность локализованных состояний больше но только в центральной области щели подвижности, но и в области " хвоста " валентной зоны , чем для пленок , легированных фосфором , что связано с большей степенью ногомогенности микроструктуры в случае легирования борон. Положение 6 : Предложена принципиально новая технология введения редкоземельных ионов в неупорядоченную структурную сетку a-Si:!l в процессе осаждения. Методика позволяет получать однородно легированные пленки при широком варьировании концентрации примеси, превышающий предел растворимости в кристаллическом кремнии , позволяет вводить одновременно несколько металлических и газообразных примесей при однородном концентрационном профиле по толщине пленки .

Положение Т. Все примеси редкоземельных металлов, за исключением Ей железа образуют в щели подвижности a-Si:Н полосу акцепторного типа, уровень Фе"рми оказывается локализованным в этой полосе. Ей образует в щели-подвижности a -Si: И полосу донорного типа , что может быть связано с особенностями заполнения it -оболочки Eu . При Т С 300 К легированные a-Si:H пленки могут иметь дырочный тип проводимости - примеси неодима и гольмия - , электронный - примеси тербия , диспрозия ,иттербия,- собственный- примеси самария, гадолиния , эрбия . В области высоких температур - Т > 400 К проводимость осуществляется по делокализованным состояниям зоны проводимости .

Положение 8 : D пленках a-Si:H , легированных Er , обнаружена 1,54 мкм фотолюминесценция ,интенсивность которой не зависит от температуры в интервале *,2 К < Т < 300 К .

Положение 9 : Датчики для ультрафиолетовой области спектра , изготовленные на пленках a-Si:W , легированных диспрозием , имеют токовую чувствительность 0,1 ' 0,12 А / Вт в диапазоне 4,08 ^: 0,0 эВ .Мишени видиконп , изготовленные на основе модифицированных , "псевдолегированных " пленок a~Si:ll имеют разрешение не хуже 2000 ТВ линий / мм , напряжение отсечки - менее 2 В , интервал рабочих температур +20' ^: -30" С , что соответствует параметрам мишеней , изготовленных зарубежными фирмами . Спектральная чучетвительность p-i-n структур , изготовленных на основе пленок а-ГЛ: II, осажденных в тетродний пістоне имеет максимум 0,f>f>^:0.58 мкм .т.о. подогнана

под чувствительность человеческого глаза . токовая чувствительность с данном диапазоне спектра 0,1 ^: 0,14 А / Вг . что позволяет использовать данные структуры d качестве датчиков видимого излучения .

Все представленные результаты , по который сформулированы научные положения , получены впервые .

Значение результатов : результаты исследования полевого воздействия на протекание реакций в условиях высокочастотного разряда привели к пониманию кинетики роста пленок a-Si:Н , к созданию новой .экологически чистой технологии . Получение модифицированных . " псевдолегированных " пленок позволило уменьшить плотность локализованных состояний в щели подвижности.число дефектов, что привело к принципиально новому решению- отказу от традиционно применяемых токсичных примесей как при нанесении легирован -них , так и нс-легированнах пленок a -Si:И .Создана принципиально новая технология введения металлических примесей- на примере же -<^;<оза и редкоземельных металлов - в неупорядоченную структурную сетку a -Si:И .что позволило получить однородно-легированные по толщине пленки при широком варьировании концентрации примеси, превышающей предел растворимости в-кристаллическом кремнии . Технология позволяет вводить одновременно несколько примесей: как из газообразной , так и твердой фазы при различной концентра -ции ..Введение некоторых РЗМ -Er, Dy привело к возможности созда -ния новых материалов со светоизлучательными свойствами, необходимыми для евстоволоконной оптики .

Практическая ценность :

Создание' методик полевого воздействия на протекание процессов разложения сплана в условиях' высокочастотного разряда , протекание процессов на поверхности растущей пленки привело к разработке технологии осаждения пленок аморфных гидрированных полупроводников. Найдены корреляции в ряду.' условия получения -структура материала - его свойства - параметры приборов . Разработана методика управления свойствами пленок бос добавлення легирующей примеси . Полученные пленки и№дат свойства , аналогичные свойствам плг.-нпк , осажденных при введении доиорной или акцепторной прим-.--

- 9 -
сей .Изготовленный материал использован dmccto слабо легированно
го бором елся a-Si:ll d качестве активного слоя мишени сидикона .
датчиков видимого излучения . что дает возможность исключения ра
боты с токсичными газани и устраняет неизбежное загрязнение ими
камеры , приводящее к появлению неконтролируемых примесей в слоях
приборов . Наблюдение " аномального " эффекта Стаблера -Вронского
дает возможность улучшение приборов во время эксплуатации. Иссле
дование механизма легирования как традиционно используемыми, при
месями - бором , фосфором , так и металлическими - железом , ред
коземельными металлами позволяет определить оптимальные техноло
гические условия для максимальной эффективности легирующего ком
понента . Найдена корреляция фотоэлектрических свойств легирован
ных РЗМ a-Si:H пленок с размерами ионного радиуса
РЗМ . Обнаружена 1.54 мкм фотолюминесценция d плёнках , легиро
ванных Ег . На основе исследованных материалов изготовлены прибо
ры : фотоэлектрические преобразователи с барьером Шоттки и p-i-n
структуры , мишени видиконов . датчики видимого и ультра-фнолето-
зого излучений . Спектральные характеристики датчиков видимого
света подогнаны под видность человеческого глаза .

Совокупность полученных в диссертационной работе результатов можно рассматривать как вклад в развитие перспективного напровле-ния-разработка физико-технологических основ получения гидриоованных тетраздрически-координированных полупроводников .

Апробация работы :

Результаты работы докладывались на следующих Всесоюзных и Международных конференциях :

/_У. У. VI конференциях по Физике и технологии тонких пленок ( Ивано-Франковск . 1983,1986,1980,1990г ) , всесоюзном семинаре "Аморфный кремний.и другие А " ( Ленинград , 1903 , 1984 . \W1 , 1991 ) , Всесоюзном совещании " Аморфный кремний и его. использование в солнечной энергетике " ( Ленинград , 1984 ) , 1, ?., 3-ом Всесоюзных совещаниях " Новые материалы для голиооїкргетики " ( Геленджик , 1980 , 1990 , І992 ) , Выездной сессии по стекло образным и аморфным полупршоднгчам ( Ивано-Франковск , 191)0 ! , Всесоюзной конференции " Достижения и пути развития электрографической техники " { Грозный , 190С ) , Всесоюзной конференции по процессам роста и синтеза полупроводниковых кристаллов к млі¹-

-ІО-нок ( Новосибирск . 19В6 } . Международной конференции " Не -

кристаллические полупроводники -89 " ( Ужгород і909 ) , Всесоюзном соооіїїаниіі -семинаре " Аморфные полупроводники и диэлектрики на основе кремния " ( Одесса 1989 ) , Всесоюзной конференции " Фотоэлектрические явлення б полупроводниках " ( Ташкент 1909 ) ,Всесоюзном совещании по прикладной Меесбауэровской спектроскопии ( Москва 1980 ) , Международных конференциях по " Аморфным и жидким полупроводникам " 19S1 , 1Э93 , " Тонкие пленки " , 1939 . Результаты диссертационной работы докладывались также на научных семинарах лаборатории " Аморфных полупроводников" . " Электрических и оптических явлений в полупроводниковых структурах " ФТИ РАН, на радиофизическом факультете КГУ им. Т.Г.Шевченко , на физическом факультете ВГУ им. П.Стучки .

Публикации: по теме диссертации имеется 70 публикаций . Основные результаты содержатся в 55 работах . Список основных работ приведен в конце автореферата .

Структура и объем диссертации : Диссертационная работа состоит из 5 глав , заключения и основних выводов . списка цитируемой литературы . Полный объем составляет 280 страниц текста , включая список литературы и рисунки .