Введение к работе
В последние 15-20 лет исследование электронных явлений в неупорядоченных систеиах заняло одно из центральных иест в физике твердого тела. Это обусловлено как внутренней логикой развития Физики, так и воэрастаьцей практической важностью таких систем. Одна из основных особенностей аиорфного твердого тела состоит в том, что в такой теле отсутствует трехмерная периодичность. Расположение атомов в таком теле, однако, не является совершенно случайным, как это имеет место в газе. Силы, действующие между атомами в аморфном теле, имеют ту же природу, что и силы в кристалле, и хотя дальний порядок отсутствует, ближний порядок, вообще говоря, сохраняется.
Для адекватного теоретического описания свойств аморфного тела требуется полное знание его структуры. В тоже время, структура такого материала зависит от условий его приготовления. В настоящее время установлено, что и количественное описание неравновесных технологических процессов и соотношения, связывавшие структурные и электрофизические параметры неупорядоченных полупроводников, не могут быть получены путем логического развития термодинамики равновесных процессов и теории кристаллического твердого тела. Формирование теоретических представлений, описывавших эти проблемы еще продолжается, поэтому важное значение имеет экспериментальные исследования механизмов конденсации, влияюцих на структуру и, в конечном счете, на электрические и оптические параметры материала.
Одним из многих аморфных полупроводников, которые явились объектами глубоких фундаментальных исследований и наали вирокое практическое применение, является гидрогениэированный аморфный кремний (0-Si:Н>, Это обусловлено тем, что он является типичным представителем класса аморфных полупроводников с тетраэдрической координацией атомов и электрические параметры этого материала можно изменять в достаточно широких пределах за счет изменения параметров технологического процесса и легирования. Открытие в !975г. возможности легирования по механизму замещения Q-St:H, приготовленного разложением силана в тлеющем разряде, позволила
получить материал с р- и П- лроводииостью и уникальными фотопроводяцими * свойствами, обусловленными сильный оптический поглощением в видимой области спектра.
Исследования электрических свойств G-Sl:H, продолжаются до сих пор, однако полученные различными способами результати, зачатую противоречат друг другу. Теоретический подход к описанні) явлений электропереноса осложняется из-за неприменимости для неупорядоченных полупроводниковых материалов кинетического уравнения Больцнана. Общая теория разработанная для таких материалов Кубо, выглядит довольно последовательной, однако не является единственной. Другая интерпретация проблемы переноса в материалах типа Q-Sl:H основана на теории протекания. Температурные зависимости проводимости при конечных температурах, полученные в йодоли теории протекания, оказываются аналогичными зависимостям, полеченным в других моделях, однако существенные расхождения проявляются в вопросе об основополагающих понятиях (например - о минимальной проводимости). Еще один подход к описанию кинетических явлений состоит в попытках использования модели поляроиов малого радиуса. Однако, если поляроны действительно существуют в CI-Sl:H, то это должно привести к отказу от моделей плотности состояний типа Коэна-Орицше-Овшинского и Мотта-Дэвиса.
Известно, что изменение условий получения некристаллических полупроводников оказывает значительное воздействие на их свойства. Примером подобного воздействия может служить эффект псевдолегирования в Q-SL:H, когда варьированием температуры подложки (Т,) и скорости прокачки силана удается добиться смещения уровня Ферми (Е«) и, как следствие, существенного изменения параметров темновой проводимости материала. Однако, до сих пор природа взаимосвязи технологических и электрофизических параметров некристаллических материалов является предметом дискуссий. Рассматриваемая в качестве основной причины эффекта псевдолегирования перестройка структуры a-SL:H с участием трех- центровых связей (ТЦС), из-за отсутствия возможности их экспериментального наблюдения остается гипотезой,которую в ближайшем будущем едва- ли удастся подтвердить или опровергнуть. Этим размывается почва для обсуждения базирующихся на представлениях о ТЦС механизмов вэаиыосвязи условий приготовления пленок d-Si:H с плотностью состояний в вели подвижности (ЦП) и движением уровня
Ферми.
Из выше сказанного можно сделать следующие выводы:
во-первых, к настоящему вреиени отсутствует единый подход к интерпретации экспериментальных результатов по исследованио иеханизиа электропереноса в неупорядоченных полупроводниках;
во-вторых, иерешеиы проблемы взаимосвязи электрических и оптических свойств аморфних полупроводников с их условиями приготовления.
При исследованиях взаимосвязи между условиями приготовления и свойствами кристаллических материалов атомная структура полупроводника служила промежуточным звеном в цепи: условия приготовления материала - структура - свойства. Это давало возможность разделить проблему в целой на две более простые: первая - исследования корреляции между условияии приготовления и структурой материала, и вторая - исследования взаимосвязи структура - свойства. В аморфных материалах возможна ситуация когда одинаковым наборам электрофизических параметров материала соответствует но совпадающие между собой пространственные распределения атомов, что делает необоснованным использование атомной структуры материала в качестве промежуточного звена между условиями приготовления и свойствами материала. В этой ситуации представляется целесообразным рассмотреть вопрос о возможности использования морфологии неупорядоченного материла в качестве эвена, связывавшего условия приготовления и свойства аморфных полупроводников.
Цельв настоящей работы явилось изучение механизмов электропереноса в d-SL:H, полученного методом ВЧ распыления в аргоноводородной атмосфере при различных сочетаниях технологических параметров, исследование морфологии Q-Sl:H и ее связи с электрофизическими свойствами.
Научная новизна представленных в диссертационной работе результатов состоит в следующей:
I) На основе результатов исследования методами электронной микроскопии и ИК- спектроскопии и результатов исследований электрических и оптических параметров изученных в данной работе двух серий пленок Q-Sl:H, установлено сходное поведение ряда параметров (характеристической энергии края поглощения Урбаха Е«, оптической пирины запрещенной зоны, отношения б , /б т) для
пленок обоих серий в области изменения механизмов конденсации различных SIH,- комплексов (1 = 1,2) на поверхности пленок d-Sl:H в процессе их формирования.
-
В приготовленных методом ВЧ ионноплазменного распыления пленках Q-Sl:H по данный измерений электрических и оптических параметров обнаружен и исследован эффект псевдолегироваиия.
-
Установлена возиожность прохождения уровня Ферми через глобальный минимум плотности локализованных состояний [N(E)J в ЦП при эффекте псевдолегирования.
-
Доказана правомерность использования модели Сето и модели релаксатора Фрелиха при моделировании процессов токопереноса в неоднородных слоях a-Sl:H, и на их основе установлена взаимосвязь результатов измерения электрических и оптических параметров на постоянном и переменном токе в диапазоне частот 100 Гц < | і 35 МГц с параметрами неоднородности (морфологией) пленок и режимами конденсации SIH,- комплексов (Ч = 1,2).
Основные положения, выносимые на запиту:
-
Результаты исследований свойств пленок, сформированных в режимах полной и неполной конденсации SLH,- комплексов (Ч = 1,2) на поверхности d-Sl.H в процессе их осаждения.
-
Результаты исследований изменения положения уровня Ферми по отношению к глобальному минимуму плотности состояний при псевдолегировании.
-
Методы и результаты исследований процессов диэлектрической релаксации и поляризации в неоднородных пленках d-St:H.
-
Интерпретация взаимосвязи электрофизических свойств a-Sl:H и условий их конденсации на основе анализа неоднородности (морфологии) материала с использованием моделей Сето и Фрелиха.
Практическая значимость работы заключается в следуюцем: Отработаны режимы получения пленок 0-Sl:H для изготовлении солнечных элементов и изделий микроэлектроники, например - для транзисторных структур типа МДП.
Апробация: результаты работы докладывались на научном семинаре 'Электрофизические свойства полупроводниковых и диэлектрических материалов" кафедры "Физика и технология материалов и компонентов" Московского энергетического института.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 2 печатных работах и в двух работах на правах рукописи, одна работа
принята к публикации в "йурнале технической физики", регистрационный N 2I60I и еще одна раОота принята к печати 18.09.92 в журнале "Физика и техника полупроводников*.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 100 наименований, и приложения. Работа содержит 136 страниц машинописного текста, 46 рисунков, 2 таблицы и 6 фотографий.
