Введение к работе
Актуальность работу
В настоящее время неупорядоченные полупроводники, в частности, аморфный гидрогеииэированный кремний и сплавы на его основе, находят широкое применение в технологии твердотельной электроники. Связало это с уникальной совокупностью свойств аморфных сплавов, изменяемых в широких пределах, за счет варьирования технологических режимов осаждеиия. Технологически a-Si:H можно получать в виде многослойных структур, наносимых на любую поверхность большой площади. Стоимость изготовления a-Si;H относительно невелика. Технология формирования аморфного кремния хорошо совместима с обычной кремниевой технологией производства интегральных схем, что является основой для создания структур и приборов, совмещающих аморфную и кристаллическую форму кремния.
Применение гетеропереходов аморфный/кристаллический кремний (a-Si:H/c-Si) позволяет сочетать высокую эффективность c-Si с низкой стоимость получения а-Si:H, что предоставляет широкие возможности для создания дешевых высокоэффективных элементов солнечных батарей, гетеропереходных биполярных транзисторов и пространственных активных матриц на их основе для устройств ввода и вывода графической и видео информации, датчиков у-излучения, фотодатчиков н мишеней ви-диконов в трубках изображения (1]. Однако, практическая реализация таких гетерост-руктур затруднена из-за отсутствия достаточной информации о микроструктуре и энергетических состояниях, формирующихся на границе раздела между аморфным и кристаллическим полупроводником и, соответственно, способах управления ими в процессе формирования приборов.
Недостаток знаний о свойствах границы раздела частично связан с недоступностью ее структуры для большинства экспериментальных методов исследований, и невозможностью разделения вклада объемных и поверхностных энергетических состояний в характеристики структуры из-за достаточно высокой плотности локализованных состояний в щели подвижности аморфного полупроводника. При существовании множества методов исследования аморфных пленок и монокрнсталлического крем-
4 '
ния, до енх пор отсутствует достоверная методика, которая могла бы не только качественно, но и количественно охарактеризовать свойства гетеросгруктур на их основе.
Немаловажную роль для широкого использования приборов на основе гетеро-структур a-Si:H/c-Si играет также экономический фактор. С точки зрения технологии, снижение затрат на получение материала связывают с необходимостью увеличения его скорости роста, что обычно приводит к ухудшению электронных свойств. В связи с этим, совмещение высокой скорости роста аморфного кремния и удовлетворительного качества a-Si:H н структур на его основе представляет важную практическую задачу.
Таким образом, актуальной направлением современной твердотельной электроники является разработка методик и исследования природы энергетических состояний на границе раздела гетеропереходов и в объеме аморфного полупроводника с целью решения проблемы создания аморфных гетеросгруктур с заданными свойствами.
Цель работы,
Разработка методики и выявление природы локализованных состояний в гете-роструктурах аморфный/кристаллический кремний на основе a-Si:H и его сплавов с германием и углеродом, а также влияния этих состояний на энергетическую диаграмму гетеропереходов, сформированных с высокой скоростью роста методом низкочастотного (55 кГц) плазмо-химического осаждения.
Научная новизна.
Разработана методика, позволяющая эффективно разделять локализованные состояния в объеме аморфных полупроводников и на границе раздела, а также определять действителыгую величину контактной разности потенциалов в гетерострукту-рах аморфный/кристаллический полупроводник на основе a-Si:H и сплавов a-SiGe:H, a-SiC:H.
С помощью разработанной методики проведено исследование гетероструктур a-Si:H'c-Si. впервые сформированных методом низкочастотного (55 кГц) плазмо-химического осаждения (НЧ ПХО) из газовой фазы, и установлена природа объемных
5 и поверхностных состояний. В структурно однородных пленках локализованные состояния в щели подвижности a-Si:H обусловлены дефектами в виде оборванных связей кремния, а при высокой степени структурной разупорядоченности аморфных пленок полигндридными конфигурациями атомов кремния и водорода. Установлено, что плотность состояний на границе раздела гетеропереходов a-Si:H/c-Si контролируется теми же технологическими факторами, что и объемные состояния в a-Si:H.
Впервые исследованы гетероструктуры a-SiGe:Wc-Si, полученные высокоскоростным методом НЧ ПХО и обнаружено, что введение германия в a-Si:H приводит к увеличению плотности локализованных состояний, природа которых обусловлена дефектами в виде оборванных связей Ge. При постоянном содержании германия в сплаве, плотность объемных состояний контролируется структурной разупорядочен-ностью, вносимой полигидридными конфигурациями кремния. Состояния на границе раздела гетеропереходов a-SiGe:H/c-Si, также, как и в a-Si:H/c-St, формируются со стороны a-SiGe:H и их природа обусловлена исключительно оборванными связями Ge, расположенными в приграничной области гетероперехода.
Впервые исследованы гетероструктуры a-SiC:H/c-Si, сформированные методом НЧ ПХО и установлено, что природа объемных состояний в a-SiC:H и на границе раздела a-SiC:H/c-Si, обусловлена дефектами в виде оборванных связей Si. Плотность локализованных состояний уменьшается с уменьшением концентрации связей SiH и образованием более прочных связей с атомами С. При постоянном содержании С и изменении температуры подложки плотность объемных и поверхностных состояний, уменьшается с увеличением концентрации связей SiH, что определяется вероятностью пассивации оборванных связей Si водородом. Использование модулированного режима горения плазмы не оказывает влияния на плотность поверхностных состояний, но уменьшает величину объемных состояний, что связано с формированием более упорядоченной микроструктуры материала.
Установлено, что увеличение плотности состояний на границе раздела гетеро-структур a-Si:H/c-Si, a-SiGe:H7c-Si и a-SiC:H/c-Si приводит к уменьшению контактной разности потенциалов и к изменению величины разрывов зоны проводимости и валентной зоны. При этом, для гетероструктур на основе a-Si:ll и a-SiC:H с увеличением плотности поверхностных состояний разрывы зон уменьшаются. В гетеропереходах a-SiGe:ll/c-Si разрывы энергетических зон с увеличением заряда увеличиваются.
что связано с большей величиной электронного сродства в a-SiGe:H и меньшей шириной щели подвижности по сравнению с a-Si:H и a-SiC:H.
Практическая значимость.
Разработана уникальная методика исследования электрофизических свойств гетероструктур аморфный/кристаллический полупроводник, позволяющая определить плотность состояний на границе раздела гетероперехода и с ее учетом получить действительные значения плотности локализованных состояний в щели подвижности аморфного материала и контактной разности потенциалов. Данная методика может найти применение в отраслевых и научно-исследовательских лабораториях при изучении физических свойств структур на основе различных неупорядоченных полупроводников.
С использованием разработанной методики оптимизирована технология получения гетероструктур аморфный/кристаллический полупроводник на основе a-Si:H и его сплавов с Ge и С, полученных методом НЧ ПХО при повышенных скоростях роста, и продемонстрирована перспективность данного высокоскоростного метода для формирования приборов твердотельной электроники.
Выводы и рекомендации, сделанные в диссертационной работе Бирюкова А. В. в части исследования электрофизических свойств и оптимизации технологии формирования гетероструктур на основе аморфного гидрогенизированного кремния и его сплавов с германием и углеродом использованы в серии НИР по созданию фоточувствительных структур. Результаты работы могут быть использованы при создании элементов солнечных батарей и датчиков селективного излучения на основе аморфного гидрогенизированного кремния и его сплавов с германием и углеродом.
На защиту выносятся следующие положения.
1. Методика расчета ВФХ гетероструктур, позволяющая эффективно разделять локализованные состояния в объеме аморфных полупроводников и на границе раздела, а также определять действительную величину контактной разности потенциалов в [«тероструктурах аморфный/кристаллический полупроводник на основе a-Si:I I и сплавов a-SiGe:H, a-SiC:H. В ее основе лежит объединенное решение двух раынчных подходов к расчету экспериментальных зависимостей емкости и квад-
7 рата ширины обедненной области с учетом плотности состояний на границе раздела, имеющей форму распределения Гаусса с максимумом, лежащем на 0,45 эВ ниже дна зоны проводимости.
2, Плотность локализованных состояний в середине щели подвижности аморфного
материала, определенная с помощью метода ВФХ, контролируется дефектами,
вносимыми наиболее слабосвязанными с водородом атомами: оборванными свя
зями Si в гетероструктурах на основе a-Si:H и a-SiC.H и оборванными связями Ge
в гетероструктурах на основе a-SiGe:H. При этом, для гетероструктур на основе а-
Si:H и a-SiGe:H, сформированных с высокой степенью структурной разупорядо-
ченности аморфного полупроводника, плотность локализованных состояний кон
тролируется полигидридньши конфигурациями атомов кремния и слабо зависит
от концентрации дефектов.
3. Поверхностные состояния в гетероструктурах аморфный/кристаллический полу
проводник формируются со стороны аморфного материала, а их природа обуслов
лена теми же факторами, что и состояния в объеме аморфного полупроводника.
Увеличение плотности состояний на границе раздела гетероструктур a-Si:H/c-Si,
a-SiGe:H/c-Si н a-SiC:H/c-Si приводит к уменьшению контактной разности потен
циалов и к изменению величины разрывов зоны проводимости и валентной зоны.
При этом, в гетероструктурах на основе a-Si:H и a-SiC:H с увеличением плотности
поверхностных состояний разрывы зон уменьшаются. В гетеропереходах а-
SiGe:H/c-Si разрывы энергетических зон увеличиваются с увеличением плотности
состояний на границе раздела, что связано с большей величиной электронного
сродства в a-SiGe:H и меньшей шириной щели подвижности по сравнению с а-
Si:Hna-SiC:H.
Апробация работы.
По результатам исследований были сделаны доклады на 17 Международной конференции "Аморфные и микрокристаллические полупроводники", Будапешт, 1997, Конференции международного исследовательского общества MRS. Сан-Франциско, 1997г., Международной школе-конферепции по физическим проблемам в материаловедении полупроводников, Черновцы, 1997, 1999 гг.; X Международном Симпозиуме "Тонкие пленки в электронике", Ярославль, 1999, Всероссийском симпо-
зиуме "Аморфные и микрокристаллические полупроводники",
Санкт-Петербург, 1998г, XI всероссийской научно-технической конференции "Датчики и преобразователи информации систем измерения контроля и управления" ("Дат-чик-99"), Крым, 1999г, Всероссийской научно-технической конференции "Электроника и информатика" МИЭТ, Зеленоград, 1997г., Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-2000», Межвузовской научно-технической конференции "Электроника и информатика" МИЭТ, Зеленоград 1997-2000 гг.
Публикации,
По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе 2 в ведущих зарубежных изданиях, а также тезисы докладов на российских и международных конференциях.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов по работе, содержит 176 страниц машинописного текста, включая 28 таблиц, 101 рисунок и список литературы в количестве 163 наименований.
